우주 시뮬레이터블랙홀로 떨어지기

블랙홀에 빠지면 어떻게 될까? 사건의 지평선 너머로 한 단계씩 떠나는 여행

게시일 · 우주 시뮬레이터

블랙홀은 중력이 너무 강해서, 어느 거리 안쪽으로 들어가면 빛조차 아무것도 빠져나올 수 없는 곳입니다. 그 경계가 사건의 지평선입니다. 그렇다면 그 안으로 떨어지면 실제로 어떤 일이 벌어질까요?

놀랍게도 답은 거의 전적으로 블랙홀의 크기에 달려 있습니다. 작은 블랙홀 근처에서는 가까이 가기 훨씬 전에 몸이 찢겨 나갑니다. 거대한 블랙홀 근처에서는 아무것도 느끼지 못한 채 돌아올 수 없는 지점을 스르르 넘어갈 수도 있습니다. 실제 블랙홀과 실제 숫자로, 떨어지는 과정을 한 단계씩 따라가 봅시다.

떨어져 볼 수 있는 실제 블랙홀 세 개

지평선 반지름은 질량에 정비례해서 커집니다. 태양 질량 하나당 약 2.95 km입니다(슈바르츠실트 반지름, 2GM/c²).

1단계: 접근, 그리고 하늘이 휘기 시작한다

몸에 무슨 일이 일어나기 훨씬 전부터 풍경이 달라진다는 것을 알아챌 것입니다. 블랙홀은 주위의 빛을 휘게 하므로, 그 뒤에 있는 별들이 호와 고리 모양으로 번져 보입니다. 보이는 검은 원반, 곧 블랙홀의 그림자는 너무 가까이 지나간 빛이 붙잡히기 때문에 지평선 자체보다 약 2.6배 넓습니다. 사건의 지평선 망원경 사진에서 빛나는 고리 안쪽의 어두운 중심이 바로 이것입니다.

떨어질수록 그림자는 시야에서 점점 커지고, 일그러진 나머지 하늘의 모습은 점점 좁은 부분으로 밀려납니다.

2단계: 조석력, 그리고 작은 블랙홀의 문제

목숨을 앗아 가는 것은 중력 자체가 아니라 몸의 위아래에 걸리는 중력의 차이입니다. 블랙홀에 더 가까운 발이 머리보다 더 세게 끌려갑니다. 이렇게 늘어나는 것을 스파게티화라고 합니다.

작은 블랙홀 근처에서는 이 효과가 무시무시합니다. 가이아 BH1 같은 태양 질량 10배의 블랙홀이라면, 키 2 m인 사람의 몸에 걸리는 늘어나는 힘은 중심에서 약 1,700 km, 지평선보다 훨씬 바깥에서 이미 약 100 g에 이르고, 지평선에서는 약 2,000만 g까지 커집니다. 지평선을 넘기 한참 전에 원자의 흐름으로 뜯겨 나갈 것입니다.

초대질량 블랙홀 근처에서는 지평선이 중심에서 아주 멀리 떨어져 있어서 조석력이 부드럽습니다. 궁수자리 A*의 지평선에서 몸에 걸리는 늘어나는 힘은 약 1만분의 1 g으로, 엘리베이터에서 느끼는 것보다도 훨씬 작습니다. M87*에서는 그보다 더 작습니다.

3단계: 사건의 지평선을 넘다

여기가 가장 기묘한 부분입니다. 궁수자리 A*로 떨어진다면 지평선에서는 특별한 일이 아무것도 일어나지 않습니다. 벽도, 섬광도, 표지판도 없습니다. 손목시계는 평소처럼 째깍거리고, 이상한 느낌도 전혀 없습니다. 지평선은 어떤 물체가 아닙니다. 바깥으로 향하는 모든 길이 안쪽으로 꺾여 버린 장소일 뿐입니다.

멀리서 지켜보는 친구에게는 전혀 다른 이야기가 펼쳐집니다. 지평선에 가까워질수록 내가 보내는 신호는 점점 느리게, 점점 붉고 희미하게 도착합니다. 친구는 내가 지평선을 넘는 모습을 결코 보지 못합니다. 나는 얼어붙은 듯 멈추어 어둠 속으로 사라져 가는 것처럼 보입니다. 두 관점 모두 옳습니다. 그것이 일반 상대성 이론입니다.

4단계: 마지막 몇 초

일단 안으로 들어가면, 내일이 오늘 다음에 오는 것만큼이나 확실하게 미래는 중심, 곧 특이점을 향합니다. 로켓을 분사해도 소용없습니다. 오히려 더 빨리 도착할 뿐입니다.

남은 시간은 얼마일까요? 멀리서부터 떨어져 들어왔을 때, 지평선을 넘은 뒤 중심에 닿기까지 내 시계로 잰 시간은 다음과 같습니다.

마지막에는 거대한 블랙홀에서도 조석력이 끝없이 커져, 결국 스파게티화가 따라잡습니다. 특이점 자체에서 무슨 일이 일어나는지는 알려져 있지 않습니다. 그곳은 현재의 이론이 더는 통하지 않는 지점입니다.

그래서, 작은 쪽일까 큰 쪽일까?

만약 골라야 한다면 큰 쪽을 고르세요. 작은 블랙홀은 지평선 바깥에서 나를 찢어 놓습니다. 초대질량 블랙홀이라면 돌아올 수 없는 지점을 멀쩡히 넘어, 30초쯤 주위를 둘러보며 아무도 본 적 없는 광경을 볼 수 있습니다.

지금 바로 블랙홀로 떨어지기 시뮬레이터에서 둘 다 체험해 볼 수 있습니다. 궁수자리 A*, M87*, 가이아 BH1에 대해 빛의 경로와 내 시계를 실시간으로 계산합니다.

자주 묻는 질문

블랙홀에 떨어지면 살아남을 수 있나요? 오래가지는 못합니다. 작은 블랙홀 근처에서는 사건의 지평선에 닿기 전에 조석력이 몸을 찢어 놓습니다. 궁수자리 A* 같은 초대질량 블랙홀이라면 다치지 않고 지평선을 넘을 수 있지만, 그 뒤로는 약 30초 뒤 특이점에 닿는 것을 아무것도 막을 수 없습니다.

스파게티화란 무엇인가요? 조석력 때문에 물체가 늘어나는 현상입니다. 중력은 블랙홀에 가까운 쪽을 먼 쪽보다 더 세게 끌어당기므로, 떨어지는 방향으로는 늘어나고 옆에서는 짓눌립니다.

사건의 지평선을 넘으면 무엇이든 빠져나올 수 있나요? 아니요. 지평선 안에서는 빛이 지나는 길을 포함해 가능한 모든 경로가 안쪽으로 향합니다. 그것이 지평선의 정의입니다.

특이점에 닿기까지 얼마나 걸리나요? 블랙홀의 질량에 따라 다릅니다. 멀리서부터 떨어져 들어오면, 궁수자리 A*의 지평선에서 특이점까지 내 시간으로 약 28초가 흐릅니다. 태양 질량 10배의 블랙홀이라면 약 100만분의 66초, M87*라면 약 12시간입니다.

직접 탐험해 보세요: 블랙홀로 떨어지기 · 중력파의 소리 · 별은 얼마나 클까? · 3D로 보는 외계행성과 우리은하

출처

계산한 수치는 교과서적인 슈바르츠실트 해의 결과입니다. 지평선 반지름 2GM/c²(태양 질량당 2.95 km), 길이 L인 물체에 걸리는 조석 늘어남 2GML/r³, 멀리서 떨어져 들어올 때 지평선에서 중심까지의 시간 (4/3)·GM/c³, 그림자 반지름 √27·GM/c²(지평선 반지름의 약 2.6배). 블랙홀이 자전하면 이 값들이 조금 달라집니다.