양성자보다 작은 것부터 태양계 11개가 들어가는 것까지

태양 질량의 660억 배. 빛이 사건의 지평선을 넘어 특이점에 닿는 데 일주일이 걸리는 천체. 우리 태양계 11개를 나란히 집어넣어도 자리가 남는 공간. 이 숫자들은 TON 618이라는 블랙홀 하나를 묘사한다. 그런데 이 숫자조차 100억 년 전 그것의 모습이다. 지금은 더 클 수 있다.

블랙홀은 물리적 크기에 상한이 없다. 행성은 중력과 압력의 균형이 크기를 제한하고, 별은 핵융합 한계가 있다. 블랙홀은 그 제약이 없다. 들어오는 질량만큼 커진다. 그렇다면 자연스러운 질문이 생긴다. 우주에 실제로 존재하는 블랙홀은 얼마나 작고, 얼마나 큰가.

존재할 수도, 없을 수도 있는 것들

스케일의 출발점은 원시 블랙홀이다. 빅뱅 직후, 우주의 밀도가 극단적으로 높았던 시기에 주변보다 아주 약간만 밀도가 높아도 블랙홀이 형성될 수 있었다는 이론이다. 이 가설이 맞다면, 질량 약 1조 kg — 큰 산 하나 수준 — 에 크기는 양성자보다 작은 블랙홀이 지금도 우주 어딘가에 떠다닐 수 있다. 지구 질량만 한 원시 블랙홀도 동전보다 겨우 클 뿐이다.

아직 관측된 적은 없다. 그러나 이 가설이 흥미로운 이유가 있다. 원시 블랙홀이 존재한다면, 그것이 바로 은하를 하나로 묶는 암흑 물질의 정체일 수 있다. 관측 불가능한 것이 관측 불가능한 것을 설명하는 구조지만, 이론적 정합성은 있다.

확실히 존재하는 것들 — 항성 블랙홀

관측으로 확인된 블랙홀 중 가장 작은 것은 태양 질량의 2.7배, 지름 약 16km다. 지구의 특정 지역을 덮을 수 있는 수준이다. V723 계에는 태양보다 24배 크고 지름 3천만 km에 달하는 적색거성이, 직경 17.2km짜리 블랙홀에 중력으로 끌려다니는 구도가 있다. 덩치 차이가 너무 커서 비교 시각화가 어렵다고 영상은 말한다.

알려진 항성 블랙홀 중 비교적 큰 편인 M33 X-7은 태양 질량의 15.65배, 직경 92km다. 현재 태양 질량 70배의 청색거성을 조금씩 흡수하면서 마찰열로 그 별을 태양보다 50만 배 밝게 빛나게 만들고 있다. 그럼에도 92km는 코르시카섬 그림자 정도를 드리울 크기다.

두 블랙홀이 병합할 때는 더 빠르게 커진다. 170억 광년 거리의 은하계에서 확인된 병합 사례에서는, 두 블랙홀이 4,400년간 방출한 중력파 에너지가 우리 은하 전체 별빛의 합보다 많았다. 결과물은 태양 질량 142배, 독일 면적 정도 크기의 블랙홀이었다.

설명되지 않는 간격

여기서 이상한 공백이 나타난다. 태양 질량 150배 안팎의 블랙홀은 비교적 많다. 그런데 그 위로는 수백만 배 규모의 블랙홀로 곧장 건너뛴다. 중간 구간이 거의 비어 있다. 별을 삼키고 다른 블랙홀과 합쳐지는 점진적 성장만으로는 수십억 배 규모의 초대질량 블랙홀이 우주의 현재 나이 안에 형성될 수 없다는 계산이 나온다.

뭔가 다른 일이 일어난 게 틀림없습니다.

그 답의 후보가 준항성이다. 초기 우주의 극단적 물질 밀도 속에서 태양의 수천 배 질량으로 자라난 가상의 별이다. 이 별의 핵은 형성 도중 붕괴해 블랙홀이 되고, 중력이 별을 계속 압축해 먹이를 공급하면서 복사압이 별 전체를 안정적으로 유지하는 균형을 이룬다. 이 과정이 수백만 년간 지속되면 현대의 모든 항성 블랙홀보다 훨씬 큰 씨앗 블랙홀이 만들어진다. 준항성이 실제로 존재했는지는 아직 확인되지 않았다.

은하 중심의 괴물들

대부분의 은하 중심에는 초대질량 블랙홀이 있다. 우리 은하 중심의 궁수자리 A*는 태양 질량 약 400만 배다. 반지름은 태양의 17배에 불과하지만, 그 주위를 많은 별들이 공전함으로써 존재가 확인된다. 일반적인 오해와 달리, 초대질량 블랙홀은 은하 전체 질량의 0.001~1% 수준이다. 은하를 묶어두는 건 블랙홀의 중력이 아니라 암흑 물질이다.

처녀자리 A 은하의 블랙홀은 태양 질량 25억 배, 직경 147억 km다. 이것이 태양 자리에 있다면 태양계 가장자리까지 반쯤 뻗는다. 흡수한 물질의 원반이 만드는 전파 제트는 지름 50만 광년 — 우리 은하 지름의 2.5배 — 에 달한다. M87*은 태양 질량 65억 배로, 2019년 인류가 최초로 직접 촬영한 블랙홀이다. 그 그림자가 우리 태양계 전체를 덮는다.

이름을 새로 붙여야 할 규모

더 큰 범주가 있다. 극대질량 블랙홀로 분류되는 것들이다. MON 0287 은하 중심의 블랙홀은 태양 질량 180억 배다. 궁수자리 A* 보다 약 4,500배 크고, 그 주위를 궁수자리 A* 크기의 초대질량 블랙홀이 공전한다.

그 위에 TON 618이 있다. 태양 질량 660억 배. 180억 광년 거리에서도 관측 가능한 밝기로, 빛이 사건의 지평선에서 특이점까지 도달하는 데만 일주일이 걸린다. 그리고 이것은 100억 년 전의 모습이다.

블랙홀의 스케일을 머릿속에서 한 번에 처리하는 것은 구조적으로 불가능에 가깝다. 양성자 크기의 가설적 존재에서 태양계가 열한 개 들어가는 천체까지, 이 영상이 비교의 언어로 구성한 여정이 그 간극을 실감 가능한 형태로 압축한다.