태양이 블랙홀이 된다면?

태양을 지름 6 km의 블랙홀로 압축하면 행성들은 궤도를 지키지만 빛과 열은 사라진다

가설입니다. 물리학적으로는 가능하지만 아무도 본 적이 없습니다. 모든 내용은 현재 이론을 따릅니다.

단계별로

똑같은 인력

뉴턴은 1687년, 둥근 물체 바깥에서는 그 인력이 모든 질량이 중심에 모여 있을 때와 같다는 것을 보였습니다. 껍질 정리입니다. 아인슈타인의 중력 이론도 1923년의 버코프 정리로 같은 말을 합니다. 둥근 질량 바깥에서는 안쪽 질량이 무엇을 하든 공간의 모양이 같습니다. 그러니 태양 하나 질량의 블랙홀은 지금의 태양과 똑같이 지구를 끌어당깁니다.

바뀌는 것은 두 가지뿐입니다. 햇빛이 없어지고, 태양의 열이 없어집니다. 이 이야기의 나머지는 그것이 무엇을 뜻하는지를 측정된 수치로 계산한 것입니다. 이런 일은 일어난 적이 없고, 우리 태양에는 일어날 수도 없습니다.

어떻게 만들 수 있을까

자연은 태양에 이런 일을 할 수 없습니다. 블랙홀은 태양 약 20개보다 무거운 별이 연료를 다 쓰고 중심핵이 안으로 무너질 때 태어납니다. 남은 것이 태양 약 2.3개보다 무거워야 하며, 그렇지 않으면 중성자별에서 멈춥니다. 알려진 가장 무거운 중성자별 PSR J0952−0607은 태양 2.35개 질량입니다(로마니 외, 2022).

그러니 이것은 사고 실험입니다. 태양을 같은 질량의 블랙홀로 그냥 바꿔 놓는 것입니다. 실제로 압축하면 태양이 평생 내놓는 에너지의 수백 배가 풀려나겠지만, 여기서는 다루지 않습니다. 그림은 줄어드는 모습을 가변 축척으로 보여 줍니다.

8분간의 햇빛

지구가 인력의 변화를 더 일찍 느낄까요? 중력의 변화도 빛의 속도로 전해집니다. 2017년 중성자별 충돌 GW170817의 중력파는 1억 3천만 년을 여행한 뒤 그 빛과 2초 이내 차이로 도착했습니다. 하지만 여기서는 전할 변화가 없습니다. 블랙홀은 태양과 똑같이 끌어당기니까요.

달과 행성은 햇빛으로만 빛나므로 이들도 꺼집니다. 각자 마지막 반사광이 우리에게 닿을 때 말입니다. 달은 태양보다 3초 이내, 목성은 1시간 넘게, 해왕성은 약 8시간 늦게 꺼집니다.

검은 하늘

흩뜨릴 햇빛이 없으니 공기는 더 이상 파랗게 빛나지 않고, 낮 하늘도 밤처럼 새까맣습니다. 달은 사라져 별을 가리는 곳에서만 알아볼 수 있습니다. 블랙홀은 너무 작아서 그림에 나타나지 않으므로 그 자리를 표시해 두었습니다.

추위

얼마나 빨리 그렇게 되는지는 간단한 모델로 계산합니다. 아래에서 열을 올려 보내는 암석과, 그 위에서 열을 우주로 내보내는 대기입니다. 추위가 수증기를, 나중에는 이산화탄소까지 공기에서 얼려 내면서 온실 효과는 약해집니다. 바다의 온기를 실어 오는 바람은 처음에 땅이 식는 것을 늦추겠지만, 여기서는 빠져 있습니다.

바다가 얼어붙다

그러니 바다는 1년이나 한 세기 만에 꽁꽁 얼지 않습니다. 얼음 뚜껑 아래에서 액체 상태의 물이 수만 년 동안 남아 있을 것입니다. 온도와 얼음 두께는 이 모델의 값이며, 더 자세한 모델은 조금 다른 값을 낼 수 있습니다.

어둠 속의 생명

지상의 생명은 식물이 햇빛으로 만든 양식에 기대어 살기에 몇 달 안에 사라질 것입니다. 그러나 어떤 생명은 처음부터 태양이 필요 없었습니다. 해저와 땅속 깊은 곳에서 암석에서 나오는 화학 물질을 먹고 삽니다.

1977년 잠수정 앨빈호는 갈라파고스 제도 근처 태평양 바닥에서 열수 분출구를 발견했습니다. 그곳은 거대한 관벌레, 조개, 게로 북적였습니다. 이들은 미생물에 기대어 사는데, 그 미생물은 빛이 아니라 암석에서 솟아오르는 물속 황화수소에서 에너지를 얻습니다.

그 미생물 가운데 다수와 동물들은 여전히 식물이 햇빛으로 만들어 바다에 녹은 산소로 숨을 쉽니다. 태양이 없으면 산소는 더 만들어지지 않으므로, 산소가 줄어들면서 분출구의 큰 동물들은 사라질 것입니다. 산소가 필요 없는 미생물은 계속 살아갈 것입니다.

더 깊은 곳에서는 2008년, 남아프리카 금광의 지하 2.8 km에서 홀로 사는 세균 Desulforudis audaxviator가 발견되었습니다. 암석의 방사능으로 쪼개진 물을 먹고 삽니다(치비안 외). 이런 생명이라면 어둠 속에서 수백만 년을 이어 갈 수 있습니다.

가까이서

사건의 지평선 망원경이 찍은 블랙홀, 2019년의 M87*과 2022년의 궁수자리 A*는 빛의 고리를 보여 줍니다. 가스가 빨려 들어가며 뜨거워지기 때문입니다. 태양 블랙홀 주변은 거의 텅 비어 있으니 빛나지 않습니다. 하늘을 어떻게 휘게 하는지로만 보일 것입니다.

그림 속 별빛이 휘는 모습은 일반 상대성 이론에 따라 광선 하나하나 계산한 것입니다. 별 자체는 그린 것이고, 하늘은 실제보다 밝게 그렸습니다. 어둠에 오래 익숙해진 눈으로 보듯이 말입니다.

늘어나다

더 가까이 가면 사건의 지평선에 닿기 훨씬 전에 몸이 길고 가는 가닥으로 늘어나는데, 천문학자들은 이를 스파게티화라고 부릅니다. 태양 표면이 있던 69만 6천 km 거리에서는 늘어남이 지구 중력의 100만분의 1도 안 됩니다. 조석력은 블랙홀이 얼마나 작은지가 아니라 얼마나 가까이 있는지에 달려 있습니다.

큰 블랙홀은 가장자리가 더 순합니다. 400만 배 무거운 궁수자리 A*의 사건의 지평선에서는 사람에게 걸리는 늘어남이 지구 중력보다 훨씬 작아서, 아무것도 느끼지 못하고 지나갈 수 있습니다. 그림의 고리는 늘어남이 지구 중력의 1배와 10배가 되는 곳을 표시합니다.

실제로 일어날 일

별은 태어날 때 질량이 태양의 약 20배를 넘어야만 블랙홀이 됩니다. 태양은 대신 중심핵의 수소를 다 쓰고, 지금 폭의 약 200배로 부풀어 바깥층을 날려 보냅니다. 뜨거운 중심핵은 지구만 한 백색왜성으로 남아 수조 년 동안 천천히 식어 갑니다.

지구는 먼저 적색거성에 삼켜지지 않는다면 계속 그 주위를 돌고, 밤하늘에는 태양 대신 작고 희미해져 가는 흰 별이 떠 있을 것입니다. ‘현상’의 시뮬레이션 ‘태양의 죽음’에서 태양이 실제로 어떻게 끝나는지 볼 수 있습니다.

알려진 가장 가까운 블랙홀 Gaia BH1은 1,560광년 떨어져 있습니다(엘바드리 외, 2023). 태양보다 10배 무겁고, 태양을 닮은 별 하나가 그 주위를 돕니다. 블랙홀이 된 태양 주위를 지구가 도는 것처럼 말입니다.