관측 사상 최대 블랙홀은 얼마나 클까

블랙홀은 빛조차 탈출할 수 없을 만큼 강한 중력을 갖고 직접적인 관측도 불가능하다. 지금까지 인류가 관측한 가장 작거나 혹은 가장 큰 블랙홀은 뭘까.

고전 물리학 관점에서 블랙홀은 주변 물질을 삼켜 계속 질량이 무한대로 증가하는 것으로 말한다. 그럼 블랙홀은 어떻게 성장하고 얼마나 크게 성장할까. 최소 수준 블랙홀은 존재 여부조차 알 수 없다. 존재한다면 아마도 우주에서 가장 오래된 빅뱅 이후 만들어진 원자보자 오래된 것으로 생각해볼 수 있다.

있을 수 있는 최소 블랙홀 질량은 1조 킬로그램 정도, 크기는 양자 이하다. 지구와 같은 질량이었다고 해도 동전보다 조금 큰 정도다. 가능한 최소 블랙홀이 그렇게 작은 크게 도달할 수 있고 인류는 아직 관찰하지 못하고 있다.

존재가 확인된 블랙홀 얘기를 해보면 천체가 충분히 압축되어 자신의 무게로 붕괴하면 블랙홀이 발생한다. 원래 천체 질량이 클수록 블랙홀도 커진다. 오늘날 우주에선 중성자별 합체와 초신성 폭발 등 가장 가혹한 부류 사건이 발생한 경우에만 항성 블랙홀이라는 종류 블랙홀이 발생하고 있다. 태양 질량은 1.989×10^30kg이지만 알려진 가장 작은 항성 블랙홀 질량은 태양보다 2.7배, 지름은 16km다.

2번째로 작은 항성 블랙홀은 적석거성 V723과 쌍성을 이루는 유니콘이라고 불리는 블랙홀이다. 직경은 태양 24배, 3,000만km지만 폭은 불과 17.2km 궤도를 돌고 있다고 생각할 수 있다.

알려진 항성 블랙홀 가운데 오랫동안 가장 크다고 생각해온 건 M33 X-7이다. 이 블랙홀은 근처 청색 거성을 조금씩 계속 삼켜 블랙홀 주위에 소용돌이치는 물질이 마찰에 의해 고온화되고 태양 50만 배 밝기 빛을 발한다. M33 X-7 질량은 태양보다 불과 15.65배, 지름은 92km다.

블랙홀이 크게 성장하려면 주위 많은 별을 삼키거나 다른 블랙홀과 합체해야 한다. 블랙ㅎ홀 합체를 감지하는 건 어렵지만 검출에 성공한 사례가 존재한다. 지구에서 170억 광년 떨어진 은하에서 거대한 블랙홀 2개 합체는 지난 4,400년 은하계 모든 별이 생성한 걸 초과하는 에너지 중력파를 방출했다. 새로운 큰 블랙홀을 만들어낸 것으로 보이는 중력파 이벤트 GW190521이 2019년 관측됐다. 이 합체해서 생긴 블랙홀 질량은 태양보다 무려 142배다.

블랙홀은 어느 시기까지 태양 150배까지 질량 밖에 발견되지 않았다. 하지만 갑자기 태양보다 수백만 배에 달하는 초거대 크기 초대 질량 블랙홀이 발견된다. 우주 탄생 이후 별을 가져와 이렇게까지 크게 성장할 유일한 시간은 없었던 만큼 초대 질량 블랙홀은 항성 블랙홀과는 다른 절차로 탄생한 것으로 간주한다.

왜 초대 질량 블랙홀이 커졌는지 설명하기 위해 최대 천체인 준성(Quasi-Star)을 이용한다. 준성이 실제로 존재했는지 여부는 알 수 없지만 초대 질량 블랙홀이 생성되는 과정을 설명할 수 있다.

준성은 태양을 모래알처럼 보이게 만드는 크기다. 태양 수천 배 질량으로 성장한 준성에서 형성 단계 시점에서 코어가 자중에 의해 붕괴되면서 초대 질량 블랙홀로 전락한 것으로 간주하는 것이다.

이렇게 탄생한 초대 질량 블랙홀은 태양보다 무겁고 지구보다 큰 크기에 도달한다. 초대 질량 블랙홀은 거의 모든 은하 중심에 위치하고 있다. 초대 질량 블랙홀 하나가 존재하는 건 궁수자리A로 궁수자리A에 존재하는 초대 질량 블랙홀은 태양 400만 배 질량을 갖고 있다.

초대 질량 블랙홀은 은하 중심에 위치하고 있지만 그렇다고 태양계에서 태양과 같은 역할을 하는 건 아니다. 태양은 태양계 전체 질량 99.86%를 차지하고 있지만 초대 질량 블랙홀 질량은 일반적으로 은하 전체 질량 중 0.001% 정도다. 은하 태양계처럼 중력에 의해 유지되는 게 아니라 암흑물질 효과에 의해 유지되는 것으로 알려져 있다.

백조자리A에는 태양 25억 배 질량에 직경은 147억km에 달하는 초대 질량 블랙홀이 존재한다고 한다. 이 블랙홀이 태양과 대체되면 태양계를 통째로 삼켜 버릴 정도 크기다. 이 블랙홀은 너무 많은 물질을 흡입하기 때문에 분출되는 자기와 가스에 의해 형성되는 전파로브는 대략 반경 50만 광년, 은하계 2.5개분에 달한다.

또 다른 초대 질량 블랙홀은 은하 M87 중심에 존재한다. 태양 65억 배 질량을 가진 이 블랙홀은 처음으로 그림자를 촬영한 블랙홀이기도 하다.

이런 초대 질량 블랙홀(Supermassive black hole)을 한 층 더 한 블랙홀(Ultramassive black hole)도 존재한다. 이 중 하나가 OJ 287로 질량은 태양 180억 배, 내부에는 태양계 3개를 늘어놓을 정도 크기다. OH 287보다 더 거대한 블랙홀은 TON 618로 무려 태양 660억 배 질량으로 내부에 태양계를 11개 늘어 놓을 정도 크기다. TON 618은 지구에서 멀리 존재하는 100억 년 전 모습 밖에 관측할 수 없다. 관측 사상 최대 블랙홀이지만 우주에는 더 큰 것도 존재한다.

물론 블랙홀 실제 크기를 관측할 수 없기 때문에 주변 물질에 대한 중력 영향을 계산해 도출하는 것이다.