블랙홀은 실제로 어떻게 작동할까요?

SF 소설과 영화는 종종 블랙홀을 다른 우주로 통하는 포털이나 시간여행을 가능하게 하는 장치로 묘사해왔습니다. 그러나 허구적인 요소를 제외하고 현실적으로 블랙홀 안에서는 어떤 일이 일어날까요?

간단히 말하자면, 블랙홀은 극도로 밀도가 높은 중심부, 즉 특이점(singularity) 때문에 시공간을 휘게 하는 거대한 중력의 구덩이입니다. 별이 죽을 때, 내부로 빠르게 붕괴하면서 초신성(supernova) 폭발이 일어납니다.

초신성은 별의 외부 물질이 격렬하게 방출되는 현상을 말합니다. 이 과정에서 별은 계속 붕괴하여 부피가 0이면서 밀도가 무한한 특이점으로 변화합니다. 이러한 불가능해 보이는 모순적인 상태가 블랙홀을 형성하게 되는 원인입니다.

새로 형성된 특이점의 극단적인 밀도는 시공간을 포함하여 모든 것을 끌어당깁니다. 시공간(space-time)은 기본적으로 공간과 시간을 하나의 4차원 연속체로 결합한 것입니다.

그렇다면 시공간이 휘게 되면 어떤 일이 발생할까요? 만약 블랙홀 가까이에서 이를 경험하게 된다면, 시간은 지구에서와는 매우 다르게 움직이게 됩니다. 시공간을 얇게 늘린 실리 퍼티(Silly Putty) 평면으로 상상해보면, 특이점은 평면의 중심에 구슬을 놓은 것처럼 작용합니다.

이 구슬은 평면을 아래로 강하게 휘게 하며, 평면과 구슬 사이의 상호작용이 길어지게 만듭니다. 블랙홀에서도 이와 유사한 일이 발생하지만, 실리 퍼티로는 도저히 재현할 수 없을 정도로 훨씬 극단적인 왜곡을 일으킵니다.

블랙홀의 가장자리, 즉 사건의 지평선(event horizon)에서는 시간이 천문학적으로 느려지기 시작합니다. 블랙홀 내부로 더 깊이 들어갈수록 시간 왜곡은 더욱 심해집니다.

일부 이론에서는 블랙홀에 들어가는 데 성공할 경우, 내부에서 과거와 미래의 이미지가 동시에 나타날 수 있다고 주장합니다. 이는 다중우주(multiverse) 이론과 일치하는 개념으로, 여러 SF 작품의 영감을 제공한 바 있습니다.

그러나 블랙홀의 접근 불가능성 때문에 이를 실험적으로 증명할 수 있는 방법은 아직 없습니다. 현재 일반적으로 받아들여지는 사실은, 블랙홀이 시공간 연속체를 왜곡하기 때문에 사건의 지평선 가장자리에서는 시간이 지구보다 훨씬 느리게 흐른다는 것입니다.

블랙홀은 찾기 어려운 존재이지만, 만약 이를 발견하고 내부로 들어간다면 치명적인 결과를 맞게 될 것입니다. 특이점의 강력한 중력은 중심부와의 위치에 따라 다른 비율로 물체를 끌어당기며, 이는 스파게티화(spaghettification)라는 현상을 일으킬 수 있습니다. 말 그대로 스파게티화는 물체를 길고 얇게 늘려 스파게티 모양처럼 보이게 만듭니다.

블랙홀 내부에서 실제로 어떤 일이 일어나는지는 아마도 절대 증명할 수 없을 것입니다. 하지만 많은 과학자들은 특이점과 빅뱅 이론(Big Bang Theory) 사이의 연관성을 점점 더 많이 발견하고 있습니다. 빅뱅 이론은 우주가 특이점에서 폭발적으로 생성되었다고 제안합니다.