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우주에서 가장 큰 물체, 블랙홀

행성이나 별과 다르게 물리적 크기에 한계가 없고

말 그대로 끝없이 커질수 있습니다.

물론 현실에서는 꼬마 블랙홀부터 우주에서 가장 거대한 단일 천체까지

다양한 크기의 블랙홀을 만들어 지기 위해서 특정한 일이 일어나야 합니다.

그럼 블랙홀은 어떻게 자랄까요?

그리고 그 중 가장 큰 건 얼마나 클까요?

쿠르츠게작트: 간단히 말하면

이번 영상에서는 블랙홀이 어떻게 작동하는지, 어떻게 생기는지는

저번 블랙홀과 중성자별 영상에서 충분히 다루었기에 딱히 다루지는 않겠습니다.

나중에 가서 한번 보세요.

지금은 우주에서 가장 큰 것을 찾는데 집중합시다.

우선 엄청, 엄청 작은 것부터 시작하자고요.

[ 원시 블랙홀 ]

가장 작은 블랙홀들은 존재할수도, 그렇지 않을수도 있습니다

존재한다면, 이는 아마 우주에서 가장 오래된 존재일 겁니다

심지어 원자들보다도요.

그들은 아마 빅뱅 직후에 태어났을 것으로 예상되는데

우주가 불안정한 에너지로 가득 차 있을 때

아주 살짝, 주변보다 더 조밀한 곳에서 블랙홀이 생겼을 수 있습니다,

아직까지 존재할 수도 있는 가장 작은 원시 블랙홀은

큰 산 정도의 질량인, 약 1조 kg 일 것입니다.

그리고 양성자보다 작을 겁니다.

지구 질량의 원시 블랙홀은 동전보다 겨우 클 것입니다.

이 점이 원시 블랙홀을 찾기 매우 어렵게 하고,

그렇기에 우린 아직 관측하지 못했죠.

만약 그것들이 실존한다면

아마 그것들이 우주를 붙잡고 있는

암흑 물질일지도 모르죠.

그럼 우리가 존재한다고 확실히 알고 있는 블랙홀로 넘어가 봅시다.

[ 항성질량 블랙홀 ]

블랙홀을 만들기 위해선 스스로 붕괴할 수 있을 정도로 충분한 양의 물질이 압축돼야 합니다.

그리고 나서는 물질을 더 투입할수록, 더 커지지요.

오늘 날의 우주에서, 격렬한 사건만이 필요한 조건을 만족시킬 수 있습니다

중성자별 간의 충돌이나, 거대한 별의 핵이 초신성 폭발을 일으킬 때와 같이 말이죠.

예를 들기 위해서 태양 질량을 단위로 이용해 봅시다.

약 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kg (200양 kg)정도 됩니다

알려진 가장 작은 블랙홀은 약 2.7 태양 질량을 가지며

직경 16km정도의 구입니다. 파리 시를 가리기 충분하죠.

또다른 저질량 블랙홀은 V723 Mon(외뿔소자리 V723) 라는 적색거성과 쌍성을 이룹니다.

이 별은 태양보다 24배나 크고, 3억 km의 지름을 가짐에도

겨우 직경 17.2km의 조그만한 블랙홀 주변을 돕니다.

적색 거성을 괴롭히는 이 블랙홀은

겨우 비교해서 보여드릴 수 있을 정도로 작습니다.

알려진 가장 큰 항성질량 블랙홀 중 하나는

M33 X-7 입니다.

이것은 지금도 70 태양 질량의 청색 거성을,

조금씩 먹고있죠.

빼앗긴 모든 질량은

하수구에 물이 빠지는 것처럼, 원을 그리며 블랙홀로 향하면서

마찰열로 인해 태양의 50만 배 만큼 밝게 빛납니다.

그러나 M33 X-7은

고작 태양 질량의 15.65배이며

직경은 92 km로, 프랑스의 코르시카 섬을 어느 정도 가릴 수 있는 크기입니다.

블랙홀들이 더 커지기 위해선

다른 별을 많이 흡수하거나 블랙홀끼리 서로 합쳐져야 합니다.

이런 사건을 관측할 수 있는 도구가 매우 최근에 만들어졌기에

우리는 지금 아주 많은 재밌는 것들을 발견하고 있습니다.

가령 170억 광년 떨어진 우주에 있는

거대한 두 블랙홀 같은 것 말입니다.

두 블랙홀은 서로 격렬하게 공전하면서

중력파의 형태로 에너지를 방출했는데,

은하수의 전체 항성이 4,400년간 내는 빛의 양을 합친 것보다 많은 양이었습니다.

그렇게 만들어진 새로운 블랙홀은 독일 정도의 크기(약 850 km)에

질량은 태양의 142배입니다.

그리고 여기서 우리는 흥미로운 크기 차이를 마주합니다.

많은 수의 블랙홀이 태양 질량의 150배 정도입니다

그리고 한동안 더 큰 블랙홀이 없다가

백만 배 혹은 그 이상의 질량을 가지는 블랙홀이 갑자기 나타납니다

조금 혼란스러운 점은, 우리는 블랙홀이 지속적으로 성장하는 걸로 생각했기 때문입니다.

가장 거대한 블랙홀들에 대해서 이 방식은

이것들이 현재 존재하는 이유를 설명하기엔 부족합니다.

우주는 이런 초거대 블랙홀이 다른 별을 먹어 형성될 수 있을 만큼 오래되지 않았죠

다른 일이 벌어진 게 틀림없습니다.

우주에서 가장 거대한 블랙홀을 설명하기 위해선

여태껏 존재했던 별 중 가장 큰 별이 필요할지도 모릅니다.

바로 쿼시 별(준항성)입니다.

그 크기를 짐작해보기 위해서,

현재까지 발견된 제일 큰 항성들과 비교해봅시다.

태양은 이것들 옆에서는 마치 모래 알갱이 하나와 같습니다.

우리는 쿼시 별이 실제로 존재했었는지는 모르지만,

블랙홀 성장을 더 강력히 향상시키는 관점에서 볼 때에는 매우 흥미로운 개념입니다.

전반적인 개념은 우주 초기의 물질들은 너무도 조밀해서

쿼시 별들이 태양 질량의 몇천 배까지 커졌을 수 있다는 것입니다.

이러한 항성들의 핵은 자신들의 질량에 너무도 짓눌리는 바람에

항성이 아직 생성되고 있을 때 이미 블랙홀로 붕괴했을 수도 있습니다.

이 과정에서 항성 자체가 파괴되는 요즈음의 항성들과 대조되듯이

쿼시 별 내부에서는 죽음의 균형이 나타날 수 있습니다.

중력이 초거대 항성을 짓눌러 블랙홀에 물질을 공급하고,

블랙홀 내부로 떨어지는 물질들을 엄청나게 달궈

이로 인한 복사압이 항성을 안정시키게 됩니다.

따라서 이런 빠르게 성장하는 블랙홀들이

몇 백만년 동안 쿼시 별을 점차 흡수해

현대의 어떤 항성 질량 블랙홀보다 더욱 크게 자랄 수 있었다는 겁니다.

태양보다 몇 천 배나 무겁고 지구보다 너비가 더 큰 블랙홀들 말이죠.

이러한 블랙홀들은 초대질량 블랙홀의 씨앗이 될 수도 있습니다.

[ 초대질량 블랙홀 ]

이제, 우리는 우주의 “왕"들에 도달했습니다.

존재하는 가장 큰 단일 천체죠.

대부분의 은하들의 중심에는 초대질량 블랙홀이 자리잡고 있고,

그리고 이것들은 거대합니다.

우리 은하에는 궁수자리 A*(스타) 블랙홀이 있는데,

질량은 약 400만 태양질량인 초대질량 블랙홀이며

평온하고, 단지 자신이 할 일을 하고 있습니다.

우리는 이것이 존재한다는 것을 아는데,

여러 항성들이 빈 공간으로 보이는 곳에 의해 끌려다니는 걸 관측할 수 있기 때문입니다.

그 엄청난 질량에도 불구하고, 반경은 여전히 태양의 약 17배 정도입니다.

대부분의 큰 별들보다 작습니다. 몇 백만 배나 무거운데도요.

초대질량 블랙홀들이 엄청나게 크고 은하의 중심에 위치해 있기 때문에,

많은 사람들이 그것들을 태양계의 태양처럼 생각합니다.

모든 것을 같이 붙여놓는 고정추이자 궤도를 돌도록 만드는 존재로요.

하지만 이것은 오해입니다.

태양이 태양계 전체 질량의 약 99.86%를 차지하는 것에 비해,

초대질량 블랙홀들은 자기 은하의 전체 질량의 약 0.001%밖에 차지하지 않습니다.

몇십억 개의 항성들과 은하 자체는 블랙홀과 중력으로 붙들려 있지 않고

오히려 암흑 물질의 중력적 효과 때문에 서로 붙들려 있습니다.

많은 초대질량 블랙홀들은 신사적인 거인 같은 게 아닙니다.

특히 은하 내부의 질량 구름들을 흡수하고 있을 때에는 말이죠.

도마뱀자리(Lacerta) BL 은하 안에 있는 한 초대질량 블랙홀은

너무도 많은 물질을 삼키고 있어서,

광속에 가깝게 가속된 플라즈마 제트를 생성합니다.

[현재 시점: 당신은 곧 죽을 것입니다] 만약 지구가 이 거대한 천체를 공전하고 있었다면,

태양보다 약 115배나 더 크게 보일 것이고

블랙홀의 빛나는 강착원반으로 인해 몇 초 만에 바삭하게 구워지고 말 겁니다.

이 때 쯤부터, 블랙홀들은 너무나도 커져서

별(항성)들은 이에 비해 말도 안 되게 작아 보일 겁니다.

백조자리 A 은하는 25억 태양질량의 초대질량 블랙홀을 가지고 있고

그 직경은 약 147억 km 정도입니다.

만약 이걸 태양의 자리에 놔 뒀다면,

모든 행성을 삼켜버리고 우리 태양계의 경계에 반 정도까지 닿는다는 뜻입니다.

(태양계의 반지름은 태양권 계면까지의 거리를 일컫는데, 약 ~180억 km 정도입니다)

엄청난 양의 질량과 물질을 삼키고 있어서

자신의 강착원반을 일종의 자기 깔때기처럼 돌려

가스를 방출하면서 어마무시한 전파엽들을 만듭니다.

이 전파엽들은 은하보다 더 크고, 직경은 약 50만 광년 정도입니다.

우리 은하의 너비의 약 2.5배나 되는군요.

또 다른 꽤 큰 초대질량 블랙홀은

메시에 87 은하에 자리잡고 있습니다.

질량은 약 65억 태양질량이며,

처음으로 실제 사진이 찍힌 블랙홀이기도 합니다.

드리워진 그림자 표면 주위의 빛나는 기체의 사진이란 게 더 정확하겠네요.

이 어두운 구는 너무도 커서

우리 태양계를 통째로 덮어버립니다.

그럼에도 불구하고, 이러한 천체들보다 더 큰 규모의 것들이 존재합니다…

[ 극대질량 블랙홀 ]

이제, 우리는 가장 거대한 블랙홀들에 도달했습니다.

아마도 평생 존재할 수 있는 가장 거대한 단일 천체일 겁니다.

이러한 블랙홀들은 너무도 많은 물질을 먹어치워 몇십억 태양질량까지 커져 왔으며,

이들의 중력은 퀘이사의 원동력이 됩니다.

별들이 넘쳐나는 몇 천 개의 은하들보다 더 밝게 빛나는 강착원반이죠.

이것들은 너무도 거대하기에, 고유한 명칭을 받아 마땅합니다.

극대질량 블랙홀이죠.

OJ 287 은하 중심에 있는 극대질량 블랙홀은

180억 태양질량이며

너무도 커서,

궁수자리 A*보다 40배나 더 무거운 초대질량 블랙홀(동반성)이

공전하고 있습니다!

이것은 상상하기조차 어렵고 무언가와 비교하기도 어렵습니다.

이 천체 안에는 태양계를 아무런 문제 없이 세 개나 나란히 둘 수 있을 정도입니다. (약 1080억 km)

이제 이 비정상적인 경쟁을 끝내고, 블랙홀의 으뜸을 향해 가 봅시다.

은하 수준의 물질을 흡수하는 걸 관측할 수 있는 블랙홀인 TON 618은

항성 100조 개의 밝기만큼 빛나고 있습니다.

180억 광년의 거리에서도 보일 정도죠.

무려 660억 태양질량을 가지며

너무도 거대해 빛조차도 사건의 지평선을 지난 뒤 특이점에 도달하기까지 약 1주가 걸리고,

약 11개의 태양계들이 이 안에 나란히 놓일 수 있습니다. (약 3,960억 km)

이것은 아마도 우주에서 가장 큰 단일 천체일 가능성이 큽니다.

하지만 실제로는, 이보다 더 거대할 수도 있습니다.

TON 618이 너무도 멀리 떨어져 있기에,

우리는 오직 이 블랙홀의 100억 년 전 형태를 보고 있습니다.

어찌 되었든 간에, 블랙홀들은 무섭고 불가사의하며,

거대합니다.

그것들은 다른 모든 것이 죽고 사라지고 있어도 여전히 존재하고 있을 것이고,

커지고, 더 커져갈 것입니다.

자, 이 여행을 다시 한 번 떠나보죠.

제일 작은 블랙홀에서부터, (원시 블랙홀)

제일 큰 것 까지.

유니콘(외뿔소자리 V723 A)

지구

궁수자리 A*

도마뱀자리 BL

스티븐슨 2-18 (제일 큰 항성)

백조자리 A 중심 블랙홀

메시에 87(처녀자리 A 은하) 중심 블랙홀

OJ 287 중심 블랙홀 (주성)

TON 618

오늘은 “거짓말의 비하인드” 라는 새로운 걸 해봅시다.

이 영상 내의 필연적인 부정확함에 대한 뒷이야기죠.

왜냐하면 사실 블랙홀들은 포켓몬 카드 같은 것과는 달리 서로간 우열을 매길 수 없는 존재들이기 때문입니다.

왜 그러냐고요?

저희는 수백만개의 별들을 분류하고 정리했지만,

오직 수십 개의 블랙홀에 대해서만 질 좋은 자료를 가지고 있습니다.

이는 50년 전까지만 해도 블랙홀 관측이란 것은 거의 없다시피 했고,

정확히 말하자면 블랙홀을 볼 수 없기 때문에 지금도 없다시피 합니다.

저희는 블랙홀의 특징들을 주변 물질들에 대한 중력적 효과를 연구하는 방법으로만 도출해낼 수 있습니다.

예를 들어 블랙홀에 근접하는 항성들의 궤도들 말이죠.

이 효과들은 블랙홀의 질량에 의해 정해지는데,

이것들은 기본적인 케플러 법칙으로 예측해낼 수 있습니다.

하지만 이 방법은 매우 불확실하고 큰 오차범위가 따릅니다.

그런 다음에 우리는 질량을 크기로 변환해야 하는데,

이것 또한 새로운 불확실성을 가져옵니다.

예를 들어 저희는 블랙홀의 반지름을 그 질량으로부터 슈바르츠실트 방정식을 통해 구하였는데,

단순화하기 위해서 블랙홀들이 완전한 구형이고 자전하지 않는다고 가정합니다.

실제로 존재하지 않는 블랙홀이죠.

실상은 이러한 것들에 관한 물리학은 꽤 애매모호합니다.

따라서, 이 영상에서 얘기한 몇몇 블랙홀들은 이보다 꽤 작거나 꽤 클 수도 있습니다.

단지 그게 확실한지를 모를 뿐이죠.

저희는 다양한 출처들과 다양한 값들을 이리저리 비교하고

다양한 질량 계산법을 사용하면서 표준화된 목록을 만들 수 있었고,

인간으로서 가능한 한 정확하게 문제를 해결할 수 있었습니다.

당신은 이것들을 저희의 출처 문헌에서 모두 확인하실 수 있습니다.

그 결과로 이 대본은 인간적으로 가능한 가장 정확한 값들을 도출하기 위한 저희의 압박으로 갈려나간 전문가들의 눈물을 머금고 있습니다.

이 과정에서, 엄청난 양의 정보들이 탈락해 최종 영상에 들어가지 못 했습니다.

하지만 저희는 운 좋게도 이것들을 전부 버리지 않는 방법을 찾아냈습니다.

저희는 어딘가 맛이 간 것 같은 것들부터 진지한 것 까지 다양한 블랙홀 굿즈를 만들었습니다

이 방법을 통해 저희는 한 주제를 다양한 시선으로 탐색하게 되고

당신은 이 영상이 끝난 후에도 블랙홀과 재미를 계속해서 느끼게 될 것입니다.

(꽥)

번역 - 4921 Vivace, 지식사(Knowledgeat), ANNVVILL, notforyou`, 정재후니

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