[사이언스] 초거대질량 블랙홀 주변에 외계생명체가 있다?!

[비즈한국] 인류가 최초로 발견한 외계행성은 어떤 곳일까? 지난 1995년 페가수스자리 51번 별 곁에서 처음으로 외계행성을 발견한 천문학자 미셸 메이요(Michel Mayor)와 디디에 퀘로즈(Didier Queloz)는 2019년 노벨물리학상의 주인공이 되었다. 그런데 엄밀하게 말하면 이들이 진정한 첫 번째 외계행성의 발견자라고 하기는 어렵다. 이들보다 훨씬 앞서 1992년 외계행성의 존재를 확인한 진짜 주인공이 따로 있기 때문이다. 그렇다면 왜 1992년의 발견자는 노벨상의 주인공이 되지 못했을까?

외계행성의 존재가 실제로 확인되기 전까지 천문학자들은 당연히 태양과 같은 지극히 평범한 별, 주계열성 주변에서 외계행성이 발견될 거라 생각했다. 우주에서 가장 흔한 별이 주계열성이기 때문이다. 하지만 공교롭게도 그 주변에서 외계행성의 존재가 처음 확인된 곳은 이런 평범한 별이 아니었다. 훨씬 드물고 이상한 별, 펄사였다.

펄사(Pulsar)는 육중한 별이 진화의 마지막 단계에서 남기는 일종의 별의 시체로, 굉장히 빠른 속도로 자전하며 양 끝으로 자기장 빔을 방출하는 중성자별이다. 1990년부터 천문학자 알렉산드르 볼시찬(Aleksander Wolszczan)은 아레시보 전파 망원경을 활용해 처녀자리 방향으로 2300광년 거리에 있는 펄사 PSR B1257+12를 관측했다. 이 펄사는 겨우 6밀리초(약 9600rpm 회전 속도!)의 아주 짧은 주기로 자전하며 전파 빔을 방출했다. 볼시찬은 이 펄사의 자전 주기가 미세하게 요동치는 것을 발견했고 그것이 펄사 곁에서 각각 98일과 66일 주기로 맴도는 두 행성 때문이란 사실을 알아냈다. 그리고 1992년 이 두 행성의 존재를 발표했다. 이후 더 안쪽 궤도를 도는 행성이 하나 더 발견되면서 현재 PSR B1257+12 곁에는 총 세 개의 외계행성이 있는 것으로 알려져 있다.

펄사 곁을 돌고 있는 외계행성의 모습을 그린 상상도. 중심의 펄사에서 방출되는 강력한 방사선으로 인해 주변 행성에서는 화려한 오로라가 펼쳐지고 있을지 모른다. 이미지=NASA/JPL-Caltech/R. Hurt(SSC)

펄사 곁의 외계행성에서도 외계 생명체를 기대할 수 있을까? 중심 펄사가 방출하는 강력한 자기장과 방사선으로 인해 대부분의 천문학자들은 생명이 살기 어려울 것으로 추정한다. 그래서 이 극단적인 별 곁에서 초자연적인 모습으로 살아가고 있을 세 행성에게 드라우그(Draugr, 북유럽 신화 속 괴물), 폴터가이스트(Poltergeist, 집을 돌아다니는 유령), 포비터(Phobetor, 공포의 꿈의 정령)이라는 무시무시한 별명이 붙었다.

이처럼 공교롭게도 인류 역사상 처음 그 존재가 확인된 외계행성은 가장 흔하고 평범한 별 곁이 아니라 전혀 외계행성이 있을 거라 기대도 하지 않았던 이상한 별, 펄사 곁에서 발견되었다. 볼시찬이 발견한 외계행성은 분명 인류 역사상 ‘최초로’ 발견된 외계행성이었지만, 아쉽게도 외계 생명체를 찾고 싶었던 천문학자들이 바라던 모습은 아니었다.

그래서 2019년 메이요와 퀘로즈의 노벨물리학상 수상 이유를 정확히 읽어보면 단순히 “최초로 외계행성을 발견했다”가 아니라 “태양과 같은 별” 주변에서 처음으로 외계행성을 발견한 공로라고 명시되어 있다. (2019년 노벨물리학상 수상자가 발표되었을 때 진정한 최초의 외계행성 발견자 볼시찬을 누락한 것이 불공평하다는 비판이 일부에서 나왔다.)

이처럼 많은 천문학자들은 태양처럼 평범한 별 곁에서만 외계 생명체를 찾고 있을 뿐, 그보다 더 극단적인 중성자별, 블랙홀 같은 천체 주변에서는 생명체가 살기 어려울 것이라 생각해왔다. 하지만 과연 그럴까? 영화 ‘인터스텔라’에서 주인공 일행이 방문했던 행성처럼 거대한 블랙홀 주변을 맴도는 행성에선 당연히 생명을 기대하기 어려운걸까?

놀랍게도 최근 연구에 따르면 중성자별이나 블랙홀과 같은 극단적인 별 곁에서도 생명이 살 수 있는 행성이 존재할 가능성이 있다! 단순히 영화 속 상상의 세계가 아니라 실제로 블랙홀 주변에 생명이 사는 행성이 존재할 수 있다니! 대체 빛조차 내지 않는 블랙홀 곁에서 어떻게 그런 일이 가능할까?

놀랍게도 블랙홀 주변을 맴도는 행성에서도 생명체가 살 수 있는 가능성이 있다. 어떻게 그런 일이 가능할까?

#블랙홀 주변에 골디락스 존이 만들어진다?

행성에 생명이 살기 위해서는 행성에 열과 빛을 제공하는 에너지 공급원이 필요하다. 행성의 잉여 에너지를 자유롭게 버릴 수 있는 에너지 배출구도 필요하다. 태양과 같은 별이 빛을 제공하지 않으면 생명활동을 할 수 없다. 그리고 행성이 머금은 과도한 에너지를 바깥으로 뱉어내지 못해도 행성이 지나치게 뜨거워져 생명이 살기 어렵다. 우리 지구의 경우 태양이 지속적인 에너지 공급원의 역할을 하고, 사방으로 뻥 뚫린 추운 우주 공간 자체가 열을 식혀주는 에너지 배출구 역할을 한다. 이처럼 열이 공급되고 열이 빠져나가는 흐름 속에서 생명이 탄생할 수 있다.

그런데 블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛조차 내보내지 않는다. 말 그대로 빛과 열이 빨려들어가기만 할 뿐 밖으로 내보내지 않는 우주 최강의 열적 하수구 구멍이라고 볼 수 있다. 오히려 절대온도 2.7도(섭씨 약 -270도)의 아주 낮은 온도로 골고루 차갑게 식어 있는 우주 배경 자체가 블랙홀보다 더 뜨겁다고 볼 수 있다. 열은 항상 더 뜨거운 곳에서 더 차가운 곳으로 흐른다. 따라서 태양 주변에선 뜨거운 태양에서 사방의 차가운 우주 공간으로 열이 퍼져가는 반면, 블랙홀 주변에서는 살짝 더 따뜻한 사방의 우주 배경에서 블랙홀로 열이 흐르게 된다. 블랙홀 주변에서는 태양 주변과 정반대의 열 흐름이 펼쳐지는 셈이다.

그런데 이렇게 열이 블랙홀로 흘러가는 과정에서 더욱 재밌는 일이 펼쳐진다. 블랙홀의 너무나 강한 중력 때문이다. 블랙홀처럼 중력이 아주 강한 물체는 그 주변의 시공간을 아주 깊게 왜곡한다. 이 깊게 파인 중력장을 벗어나는 과정에서 빛은 서서히 에너지를 잃는다. 그 결과 중력장을 벗어나면서 빛의 파장은 점차 길게 늘어나는 적색편이를 겪게 된다. 이를 중력 적색편이(Gravitational redshift)라고 부른다. 반대로 깊게 파인 중력장 속으로 빛이 흘러가는 과정에서는 정반대 효과를 얻는다. 오히려 빛이 에너지를 얻으면서 파장이 더 짧아지는 청색편이를 겪을 수 있다. 바로 여기서 블랙홀 주변에 생명이 살 수 있게 되는 놀라운 마법이 펼쳐진다.

중심의 중력이 강한 천체에서 빛이 떠나갈 때에는 점차 빛의 파장이 길어지는 중력적 적색편이를 겪는다. 반대로 중력장 속으로 들어가면서 에너지를 얻게 되면 빛의 파장이 짧아지는 중력적 청색편이를 겪는다. 이미지=Pearson Education

사방의 우주 배경은 절대온도 2.7도의 아주 낮은 온도로 식어 있다. 그래서 우주 전역의 우주 배경 복사(CMB, Cosmic Microwave Background)는 파장이 아주 긴 1~2mm 파장의 마이크로파로 전달된다. 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 가시광선에 비해서 수천 배나 더 파장이 긴 빛이다. 이렇게나 긴 파장의 빛이 된 것은 130억 년이란 아주 긴 세월 동안 우주가 팽창하면서 빅뱅 직후 퍼져나왔던 태초의 빛의 파장도 함께 길게 늘어나며 식어왔기 때문이다. 그런데 아주 긴 파장의 우주 배경 복사가 다시 블랙홀 주변으로 흘러오는 과정에서 아주 극단적인 중력 청색편이를 겪게 되면, 다시 훨씬 파장이 짧은 빛으로 돌아오게 된다. 즉 블랙홀 주변에 모여들며 파장이 아주 짧아진 우주 배경 복사의 빛은 절대온도 2.7도의 아주 낮은 온도에서 훨씬 뜨거운 온도로 치닫게 된다는 뜻이다!

플랑크 우주망원경으로 관측한 사방의 우주 배경에 골고루 퍼져 있는 우주 배경 복사. 절대온도 2.7도 수준의 아주 낮은 온도로 우주가 식어 있다. 이 온도는 빅뱅 직후 우주가 팽창하면서 식고 남은 빅뱅의 잔열이다. 이미지=ESA and the Planck Collaboration

따라서 블랙홀에서 멀리 벗어난 곳에선 사방의 우주 배경 복사가 아주 미지근하게 느껴진다. 반면 블랙홀에 가까이 다가갈수록 사방의 우주 배경 복사가 극단적인 청색편이를 겪으면서 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선에 이르기까지 아주 짧은 파장의 높은 에너지의 빛으로 변하게 된다. 태양에서 멀리 떨어지면 너무 춥지만 태양에 가까이 접근할수록 더 온도가 올라가는 것과 비슷하다. 덕분에 블랙홀 주변에서도 딱 액체 상태의 물이 존재하고 생명이 살기에 적합한 정도의 에너지를 받을 수 있는 적당한 거리 범위, 골디락스 존을 정의할 수 있다! 중심에 빛을 발산하는 별이 없는데도 청색편이된 우주 배경 복사 자체를 열원으로 삼아서 생명이 살 수 있게 되는 것이다!

#블랙홀 주변 행성 하늘에 뜨는 ‘가짜 태양’

그렇다면 얼마나 무거운 블랙홀 곁에서 생명이 탄생할 수 있을까? 얼핏 생각하기엔 질량이 더 가벼운 블랙홀 곁에서 그나마 생명이 살아남기 쉬울 것 같지만 정반대다. 가벼운 블랙홀은 중력이 너무 약해서 주변에서 우주 배경 복사의 파장을 짧게 만드는 중력 청색편이의 효과가 미약하다. 그래서 충분히 따뜻할 만큼 우주 배경 복사의 파장이 짧아지려면 블랙홀의 사건의 지평선 안쪽까지 접근해야 한다. 결국 블랙홀의 중력에 의해 행성 자체가 찢어져버리게 될 것이다. 반면 질량이 더 무거운 블랙홀은 사건의 지평선 바깥으로 멀리 벗어나 있어도 충분히 강한 중력 덕분에 파장이 충분히 짧아진 우주 배경 복사의 빛을 받으며 따스한 온도를 유지할 수 있다.

태양 질량의 약 1억 6000만 배 되는 아주 육중한 초거대질량 블랙홀 주변이라면 행성이 파괴되지 않는 사건의 지평선 바깥에서도 극단적인 중력 청색편이를 통해 자외선 정도로 파장이 충분히 짧아진 우주 배경 복사의 조명을 받을 수 있다. 우리 은하 중심에 있는 블랙홀보다도 무려 40배나 더 무거운 질량이다! 지난 2019년 천문학자들이 처음 관측에 성공한 거대 타원은하 M87 중심의 초거대질량 블랙홀에 맞먹는 엄청난 크기의 블랙홀 곁에서 생명이 살 수 있는 행성을 기대해볼 수 있다는 뜻이다!

2019년 천문학자들이 촬영에 성공한 M87 중심 초거대질량 블랙홀. 어쩌면 이런 거대한 블랙홀 주변을 맴도는 행성 중에 생명체가 진화할 수 있는 환경이 존재할지 모른다. 이미지=Event Horizon Telescope

게다가 만약 중심의 블랙홀이 영화 ‘인터스텔라’에 등장했던 블랙홀처럼 빠르게 자전을 하고 있다면, 더욱 흥미로운 현상이 벌어질 수 있다. 이렇게 회전하는 블랙홀 주변을 지나가는 빛줄기가 아주 좁은 영역 안에 집중되는 ‘상대론적 비밍 효과(Relativistic Beaming effect)’를 받게 된다. 우주 전역 사방에서 날아오는 우주 배경 복사의 빛들이 파장이 훨씬 짧아지는 동시에 굉장히 좁은 영역에 모여들게 된다. 그래서 블랙홀 주변을 맴도는 행성의 하늘에선 굉장히 재밌는 광경을 볼 수 있다.

등 뒤로는 하늘 전체의 약 40%를 깜깜하게 채운 아주 거대한 블랙홀 주변 사건의 지평선을, 정반대편 하늘에서는 작은 원반 모양의 좁은 영역에 집중되어 뜨겁게 빛나고 있는 짧은 파장으로 청색편이 된 우주 배경 복사의 빛줄기들을. 그 모습은 지구의 하늘에 떠 있는 작고 동그란 태양과 비슷한 느낌일 것이다. 천문학자들은 이 인공 조명을 ‘가짜 태양(Pseudo sun)’이라고 부른다. 실제로는 빛을 내는 따스한 별은 주변에 없지만, 등 뒤에 하늘을 가득 채우고 있는 거대한 어둠과 머리 위에서 작고 밝게 빛나는 가짜 태양이 떠 있는 하늘은 굉장히 색다른 경험이 될 것이다.

블랙홀 주변을 맴도는 행성에서 바라본 하늘의 풍경을 그린 상상도. 거대한 블랙홀이 뜨고 지는 풍경은 어떤 느낌일까? 이미지=Space Engine

이처럼 블랙홀 곁을 도는 행성이라면 그 강한 중력에 붙잡힌 채 거의 광속에 가까운 속도로 블랙홀 곁을 공전할 것이다. 이렇게나 빠르게 공전하는 행성이라면 상대성 이론에 따른 시간 지연(time dilation) 효과로 인해 굉장히 시간이 느리게 흐를 것이다. 블랙홀 주변 행성에서의 1년이 다른 평범한 별 주변 행성에서의 수천 년에 버금가는 엄청난 차이가 발생한다. 그래서 블랙홀 주변의 행성에서 고도로 진화한 생태계가 갖춰지기까지 우주는 훨씬 더 긴 시간을 참고 기다려줘야 한다.

만약 어떤 거대한 블랙홀 곁에 지구와 동갑인 행성이 맴돌고 있다 하더라도 실제로 그 행성에서는 지구의 수천 분의 1에 불과한 수십만 년의 시간만 흘렀을 것이다. 반대로 그 행성에서 수십억 년의 시간이 흐르길 바란다면 블랙홀 바깥의 우주에서는 그 수천 배에 달하는 수조, 수십조 년의 긴 세월을 기다려야 한다. 오늘날 우주의 나이보다 훨씬 더 긴 시간이 흘러야 한다.

설령 초거대질량 블랙홀 곁에서 생명이 탄생하고 진화할 수 있다 하더라도 아직 우리 우주는 그런 진화의 결말을 확인하기엔 이제 겨우 138억 년이라는 턱없이 부족한 짧은 세월을 살았을지 모른다. 별 곁의 행성과 외계 생태계는 물론 태양과 같은 평범한 별들까지 모두 사라지고도 시간이 한참 흘러 우주의 나이가 수조, 수십조 년이 되어야 비로소 블랙홀 주변 행성에서 최후의 생태계들이 출현하게 되는 건 아닐까? 어쩌면 거대한 블랙홀 곁을 살아가는 생명체들이 우리 우주를 마지막으로 채울 우주 최후의 생명체가 될지도 모른다.

참고

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab5dab

https://aapt.scitation.org/doi/full/10.1119/1.4966905

https://www.sciencemag.org/news/2020/01/black-holes-caught-act-swallowing-stars

https://blogs.scientificamerican.com/observations/living-near-a-supermassive-black-hole/

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab4cf0

https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/479/1/171/5032806

https://www.nature.com/articles/355145a0

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com