4.1 블랙홀은 무엇인가: 우리가 보는 것, 어떻게 분류하는지, 왜 설명이 어려운지

목차 ／ 제4장: 블랙홀

블랙홀은 빈 공간이 아닙니다. 주변의 모든 물질과 빛을 매우 강하게 안쪽으로 끌어들이는 영역입니다. 가까이 갈수록 ‘밖으로 벗어나려는’ 시도는 실패하며, 멀어질수록 그 작용은 이미지 면, 시간에 따른 밝기 변화, 에너지 스펙트럼이라는 세 축에서 흔적으로 나타납니다. 이 절에서는 실제로 무엇이 보이는지, 그것을 어떻게 체계화할지, 그리고 설명이 특히 어려운 쟁점이 어디인지 제시하여 장 전체의 과제를 정리합니다. 세부 동작 원리는 뒤에서 다룹니다.

I. 관측 외관: 어떻게 보이며 시간이 지나며 어떻게 변하는가

• 고리 모양의 그림자와 밝은 테두리: 여러 방식의 관측 이미지는 자주 ‘어두운 중심 + 밝은 고리’를 보여 줍니다. 어두운 중심은 실체적 검은 원이 아니라, 방출이 밖으로 나오기 어려운 영역의 투영입니다. 고리는 균일하지 않으며 특정 방위에 더 밝은 부채꼴 구간이 생기곤 합니다. 품질이 높은 데이터에서는 유사한 광경로의 ‘두 번째 메아리’처럼, 더 흐린 내부 서브링이 비치기도 합니다.
• 편광 무늬: 밝은 고리 주변에서 편광각은 무작위로 흔들리지 않고, 고리를 따라 매끄럽게 회전하며 좁은 띠에서 방향 전환이 나타납니다. 이는 핵 근처의 방출이 무질서한 발광이 아니라, 정렬된 구조가 작동하고 있음을 시사합니다.
• 빠른 변화와 느린 변화의 공존: 밝기는 분–시간뿐 아니라, 달–해의 척도에서도 오르내립니다. 파장대 사이에서는 변화가 거의 동시로 일어나거나, 일관된 선행·지연 순서를 따르기도 합니다. 이런 보조를 맞춘 변화를 ‘공통 계단’이라고 부르기도 합니다. 강한 사건 뒤에는 간격이 점차 길어지며 세기가 줄어드는 ‘메아리’ 연쇄가 관측됩니다.
• 곧고 장수하는 제트: 전파에서 고에너지 대역까지 많은 근원이 양극 방향으로 좁고 지속적이며 다중 스케일의 제트를 분출합니다. 제트는 무작위적이지 않으며, 핵 근처 변화와 보폭을 맞추고, 먼 곳에서는 구간화된 ‘핫스폿’을 형성합니다.

요약하면 블랙홀의 관측상은 ‘매끈함’이 아닙니다. 어느 부채꼴이 더 밝은지, 어디서 편광이 뒤바뀌는지, 여러 대역이 언제 같은 보폭을 이루는지가 반복되는, 체계화된 거칠기를 보입니다.

II. 유형과 기원: 항성질량에서 초대질량까지, 그리고 원시 블랙홀 가설

• 항성질량 블랙홀: 거대한 별이 붕괴하거나, 중성자별·블랙홀이 합쳐질 때 탄생합니다. 질량은 대체로 수–수십 태양질량이며, X선 쌍성계와 중력파 사건에서 모습을 드러냅니다.
• 중간질량 후보: 약 100–100,000 태양질량 범위로, 밀집 성단·왜소은하·초고광도 X선원에 있을 수 있습니다. 증거는 축적되고 있으나 명명은 신중합니다.
• 초대질량 블랙홀: 은하 중심에 자리하며 질량은 수백만–수백억 태양질량에 이릅니다. 퀘이사와 활동은하핵의 원동력이 되고, 대규모 제트와 전파 ‘거품’을 주도합니다.
• 원시 블랙홀(가설): 초기 우주에서 밀도 요동이 충분히 컸다면 직접 형성되었을 가능성이 있습니다. 검증은 중력 미소렌즈, 중력파, 우주 마이크로파 배경 (CMB) 등을 통해 진행됩니다. 이후에는 우주 마이크로파 배경만 사용합니다.

이 구분은 논의를 위한 스케일 라벨에 가깝습니다. 고리, 밝은 부채꼴, 편광 띠, 리듬 같은 ‘지문’은 크기가 달라져도 유사한 형태로 반복됩니다.

III. 현대적 기원 서사: ‘어디에서 오는가’에 대한 주류 설명

• 붕괴·합병에 의한 성장: 항성질량 블랙홀은 붕괴로 시작하여, 이후에는 강착이나 합병으로 질량을 늘립니다. 밀도가 높은 환경에서는 연쇄 합병으로 중간질량 영역까지 커질 수 있습니다.
• 직접 붕괴: 거대 가스구름이 충분히 식지 못하거나 각운동량을 효율적으로 잃으면 별–초신성 단계를 거치지 않고, 무거운 씨앗으로 곧장 붕괴할 수 있습니다.
• 빠르게 먹이를 얻는 씨앗: 가스가 풍부한 ‘급식소’에서는 씨앗이 효율적으로 강착하며 짧은 시간에 급격히 비대해져 초대질량에 도달할 수 있습니다.
• 에너지 추출과 제트: 표준 그림은 자기장과 자전을 결합시켜 중심부 에너지를 방향성 있게 바깥으로 보낸다고 설명합니다. 가열된 강착원반, 원반 바람, 외부 유출의 조합이 핵 근처의 방출을 설명합니다.

이 이야기들은 먼 거리에서의 유도, 전체 에너지 예산, 제트의 존재 같은 큰 요구 조건을 충족하며, 수치적 MHD 모의는 그럴듯한 구조를 ‘그려’ 냅니다. 그러나 지평선 근처의 미세 무늬로 다가가면, 세 가지 난제가 남습니다.

IV. 세 가지 난제: 설명이 자주 막히는 지점

• 매끈한 지평선과 관측되는 미세 무늬의 간극: 기하학은 두께가 0인 완전한 경계를 가정하고, 곡률과 측지선에 운동을 맡깁니다. 먼 곳에서는 유효하지만, 이미지–시간–에너지 공간에서 지평선 근처에 보이는 미세 무늬—특정 방위에서 지속적으로 더 밝은 부채꼴, 띠 모양의 편광 반전, 색에 무관한 공통 계단과 메아리—를 설명하려면 종종 ‘재료 물리’ 층을 덧대야 합니다(특정 섭동, 점성, 재결합, 방사 닫힘을 동반한 입자 가속 등). 미시 가정이 쌓일수록 ‘그럴듯한 모양 맞추기’는 쉬워지지만, 통일적이고 반증 가능한 지문을 내기 어려워집니다.
• 원반–바람–제트의 일체적 협응: 관측에 따르면 강착원반·원반 바람·제트가 어떤 국면에서는 함께 올라가고 함께 가라앉습니다. 분리된 구동을 단순 합산하는 접근은 이 ‘하나의 개구에서 이뤄지는 역할 분담’—제트가 단단하고 곧으며, 바람이 두껍고 느리고, 가장 안쪽 받침대가 안정적이고 부드럽다는 점, 그리고 그 몫 나눔이 환경에 따라 바뀐다는 점—을 설명하기 어렵습니다.
• 초기 초대질량 성장의 촉박한 시간표: 우주 역사에서 아주 이른 시기에 거대 질량의 블랙홀이 나타납니다. 높은 강착률과 잦은 합병을 가정해도 시간은 빠듯합니다. 직접 붕괴 씨앗, 매우 효율적인 공급, 환경 결합 같은 ‘고속 경로’가 제안되어 있지만, **검증 가능한 단일한 ‘고속 차선 지문’**은 아직 뚜렷하지 않습니다(자세한 내용은 3.8절).

이 난제들 뒤에는 공통의 빈틈이 있습니다. 곧, 지평선 인근 경계가 무엇으로 이루어져 있으며 어떻게 작동하는지입니다. 기하학은 이미 ‘어디로’ ‘얼마나 빨리’를 그려 주지만, 경계의 재료상과 그 전자기적·‘음향적’ 서명이 데이터와 일대일로 맞붙을 수 있는 형태로 아직 정리되지 않았습니다.

V. 본 장의 목표: 경계에 ‘작동하는 물리’를 부여하고 통합 그림을 제시하다

수학은 중요하지만, 목표는 진실 규명입니다. 본서는 에너지 실 (Energy Threads, EFT) 관점에서 지평선 근처 경계를 이상적 평활 면이 아니라, 능동적인 장력 코르텍스로 다룹니다. 유한 두께의 지지 ‘피막’으로서, 내부 사건에 의해 짧은 시간 동안 성질이 다시 써질 수 있습니다. 이 경계는 에너지를 세 가지 출구로 통합적으로 배분합니다. 각 출구의 명칭과 점등 조건, 그리고 어떤 관측 지표를 실어 나르는지를 설명합니다. 접근의 목적은 세 가지입니다.

• 이미지–시간–에너지 증거선 통합: 동일한 경계 작동 규칙으로 주(主) 고리와 서브링, 선호 방위의 밝은 부채꼴과 편광 반전, 대역을 넘는 공통 계단과 메아리를 설명합니다.
• 원반–바람–제트 협응의 자연스러운 귀결: 저항이 가장 작은 경로가 더 큰 몫을 얻습니다. 환경과 공급이 달라지면 경계의 ‘배분 키’가 그에 맞춰 갱신되며, 임시방편 장치를 덧대지 않아도 됩니다.
• 초기 급성장에 대한 검증 가능한 ‘고속 차선 지문’ 제시: 경계가 더 ‘양보적인’ 상태를 오래 유지할수록 에너지는 더 쉽게 밖으로 흐르고 구조는 더 수월하게 안으로 모입니다. 관측에는 특징적인 시공간 서명이 남아야 합니다.

이후에는 단계를 밟아 나아갑니다. 외부 임계면, 내부 임계 띠, 천이 영역, 코어를 정의하고, 경계가 이미지 면에서 어떻게 ‘현상’되고 시간 영역에서 어떻게 ‘발성’하는지 보입니다. 에너지의 탈출 경로를 정리하고, 질량 스케일별 거동을 비교하며, 현대 이론과 대조합니다. 마지막으로 검증 체크리스트와 가능한 향후 경로 지도를 제시합니다.