블랙홀 곁에도 생명이 살 수 있을까 — 생명 가능 영역으로 따져 보기

영화 인터스텔라를 본 사람이라면 한 번쯤 이런 생각을 한다. 거대한 블랙홀 바로 옆을 도는 바다 행성이라니, 정말 그런 곳에 물이 있고 생명이 살 수 있을까? 태양 같은 별 둘레에는 너무 뜨겁지도 차갑지도 않은 ‘골디락스 존’이 있다는데, 빛을 내지 않는 블랙홀에도 블랙홀 생명 가능 영역 같은 것이 있을 수 있을까?

이 글에서는 생명 가능 영역이 무엇인지부터 정리하고, 블랙홀 곁의 행성이 데워질 수 있는 세 가지 방법을 하나씩 따져 본다. 각 방법마다 이미 확립된 물리, 논문으로 발표된 사고실험, 영화의 설정을 나눠서 적었다. 다 읽고 나면 ‘가능한가?’라는 질문에 어디까지는 그렇다고, 어디부터는 아니라고 답할 수 있다.

블랙홀 생명 가능 영역, 무엇부터 따져야 할까

생명 가능 영역(골디락스 존)은 행성 표면에 액체 물이 있을 수 있는 거리의 범위다. 별에 너무 가까우면 물이 끓어 날아가고, 너무 멀면 얼어붙는다. 태양계에서는 대략 지구 궤도 근처부터 화성 궤도 근처까지로 보는데, 대기와 온실 효과를 어떻게 가정하느냐에 따라 경계는 연구마다 조금씩 다르다. 핵심은 하나다. 행성을 꾸준히 데워 줄 에너지원이 있어야 한다.

여기서 블랙홀은 처음부터 불리하다. 블랙홀 자체는 사실상 아무것도 내보내지 않는다. 이론적으로는 호킹 복사라는 아주 약한 열복사가 있지만, 그 온도는 질량에 반비례해 태양 질량의 블랙홀이 약 1억분의 6켈빈에 불과하다. 태양의 9배 남짓인 가이아 BH1이라면 10억분의 7켈빈 정도이고, 계산해 보면 내보내는 전력은 1와트에도 한참 못 미친다. 우주를 채운 우주배경복사(빅뱅의 잔열, 약 2.7켈빈)보다 훨씬 차갑기 때문에, 별에서 생긴 블랙홀은 오히려 주변에서 들어오는 복사를 더 많이 삼킨다.

그러니 블랙홀 곁의 행성이 데워지려면 에너지를 다른 데서 얻어야 한다. 후보는 셋이다.

1. 블랙홀로 떨어지는 가스가 만드는 강착원반
2. 블랙홀 가까이에서 시간이 느려져 뜨겁게 보이는 우주배경복사
3. 블랙홀과 함께 도는 짝별

다가가기 전에: 조석력과 가장 안쪽 안정 궤도

에너지를 따지기 전에, 행성이 블랙홀 곁에 머물 수 있는지부터 봐야 한다. 걸림돌은 두 가지다.

• 조석력 — 가까운 쪽과 먼 쪽이 받는 중력의 차이. 태양 9배 남짓의 블랙홀이라면 사람 키 2m 정도의 몸에서도 머리와 발에 걸리는 중력 차가 수천 km 안쪽에서 견디기 힘든 수준(지구 중력의 10배 남짓)이 된다. 지구만 한 행성은 이보다 훨씬 바깥, 대략 100만~200만 km 안쪽에서 부서질 수 있다(둘 다 단순한 어림 계산).
• 가장 안쪽 안정 궤도(ISCO) — 이보다 안쪽에서는 원 궤도를 유지할 수 없고 결국 빨려 들어간다. 자전하지 않는 블랙홀에서는 사건의 지평선 반지름의 3배다. 블랙홀이 빠르게 자전할수록 이 궤도가 지평선 쪽으로 바짝 당겨진다.

흥미로운 점은 조석력이 블랙홀이 클수록 오히려 순해진다는 것이다. 지평선 근처의 조석력은 질량의 제곱에 반비례하므로, 태양 1억 배쯤 되는 초대질량 블랙홀이라면 지평선 바로 바깥에서도 행성이 찢어지지 않을 수 있다. 영화 속 밀러 행성이 별의 잔해인 작은 블랙홀이 아니라 거대한 블랙홀 곁에 놓인 이유가 여기에 있다.

강착원반은 난로가 될 수 있을까

가장 먼저 떠오르는 에너지원은 강착원반이다. 블랙홀로 떨어지는 가스가 소용돌이치며 원반을 이루고, 마찰로 달아올라 빛을 낸다. 문제는 그 빛이 생명에게 친절하지 않다는 데 있다.

• 별 질량 블랙홀의 원반은 수백만 도까지 달아올라 X선을 낸다. 짝별의 가스를 빼앗는 백조자리 X-1 같은 X선 쌍성이 하늘에서 손꼽히게 밝은 X선 천체인 까닭이다.
• 초대질량 블랙홀의 원반도 가장 뜨거운 곳은 10만 켈빈 안팎으로, 빛의 대부분이 자외선이다.
• 원반의 밝기는 떨어지는 가스의 양에 따라 크게 바뀐다. 몇 시간, 몇 년 사이에 밝아졌다 어두워지기를 되풀이하는 일이 흔하다.

NASA 고다드 우주비행센터의 제러미 슈니트먼은 2019년 논문에서 밀러 행성을 놓고 이 문제를 계산했다. 원반의 열로 행성이 생명 가능 영역에 들려면, 행성이 블랙홀에서 아주 멀리 있거나 가스가 떨어지는 양이 극히 적어야 한다는 것이 결론이었다. 그런데 가스가 그 정도로 적으면 원반이 얇고 차분한 형태를 유지하기 어렵고, 오히려 뜨겁고 희박한 흐름이 되기 쉽다는 점도 함께 지적했다.

차가운 블랙홀과 뜨거운 하늘, 밀러 행성 이야기

두 번째 방법은 발상을 뒤집는다. 지구에서는 뜨거운 태양에서 에너지를 받고, 남는 열을 차가운 밤하늘로 버린다. 2016년 체코의 오파트르니 연구팀(2017년 미국물리학저널 게재)은 이것을 거꾸로 생각했다. 하늘 전체를 덮은 우주배경복사를 열원으로, 차가운 블랙홀을 열을 버리는 곳으로 쓰는 것이다. 블랙홀이 일종의 ‘검은 태양’이 되는 셈이다.

2.7켈빈짜리 배경복사로 무엇을 데울 수 있을까 싶지만, 여기서 시간 지연이 등장한다. 블랙홀 가까이에서는 시간이 느리게 흐르고, 바깥에서 들어오는 빛은 그만큼 에너지가 높아진(청색 이동한) 것으로 보인다. 블랙홀 곁을 빠르게 도는 행성에서는 진행 방향의 좁은 하늘이 특히 뜨겁게 빛난다.

영화의 설정은 이렇다. 과학 자문을 맡은 킵 손이 정한 블랙홀 가르강튀아는 태양 질량의 약 1억 배이고, 이론상 한계에 거의 닿을 만큼 빠르게 자전한다. 밀러 행성에서의 1시간은 지구의 약 7년, 시간이 약 6만 배 느리게 흐른다. 두 논문이 계산한 결과는 다음과 같다.

밀러 행성 자리라면 지구가 받는 햇빛의 300배쯤 되는 에너지가 쏟아져, 알루미늄도 녹을 만큼 뜨겁다(논문은 영화 속 거대한 파도가 녹은 알루미늄일 수도 있다고 덧붙였다). 조금 바깥으로 물러나면 온도만 놓고는 물이 있을 수 있는 궤도가 나오지만, 그곳의 하늘은 3만 켈빈으로 달아오른 좁은 띠라 강한 자외선을 피할 수 없다. 슈니트먼은 이 상황을 백색왜성에서 0.2AU(천문단위 — 태양과 지구 사이 거리의 0.2배) 떨어진 곳에 비유했다. 게다가 실제 은하 중심에는 별이 빽빽해, 그 별빛이 배경복사보다 먼저 행성을 달군다.

여기서 한 가지 조건을 놓치면 안 된다. 이런 강한 청색 이동은 지평선에 바짝 붙은 안정 궤도가 있어야만 가능하고, 그런 궤도는 거의 최대로 자전하는 블랙홀에만 있다. 자전하지 않는 블랙홀이라면 가장 안쪽 안정 궤도에서도 시간이 약 1.4배 느려질 뿐이고, 오파트르니 등의 계산으로는 진행 방향 하늘도 2배 남짓 데워지는 데 그친다. 2.7켈빈 하늘이 몇 켈빈이 되는 정도라 여전히 얼음장처럼 차갑다.

짝별이 데워 준다면: 가이아 BH1의 경우

세 번째이자 가장 평범한 방법은 블랙홀 곁의 보통 별에서 빛을 받는 것이다. 블랙홀 종류를 다룬 앞선 글에서 소개한 가이아 BH1이 좋은 예다. 뱀주인자리 방향 약 1,560광년 거리에서, 태양 9배 남짓의 블랙홀과 태양보다 조금 가벼운 G형 별이 185일마다 서로를 돈다. 둘 사이 평균 거리는 약 1.4AU이고, 궤도가 길쭉해(이심률 약 0.43) 가장 가까울 때 0.8AU, 멀 때 2AU쯤이다.

이 G형 별의 골디락스 존은 대략 1AU 안팎이다. 그런데 바로 그 거리를 블랙홀이 오간다. 쌍성계에서 행성 궤도가 오래 버티는 범위를 어림하는 널리 쓰이는 경험식(홀먼과 위거트, 1999)에 가이아 BH1의 값을 넣어 보면 대략 이렇다. 논문에 실린 결과가 아니라 경험식으로 어림한 값이라 자릿수 정도만 의미가 있다.

• 별 하나만 도는 행성: 별에서 약 0.1AU 안쪽이어야 안정하다. 골디락스 존보다 한참 안쪽이라 너무 뜨겁다.
• 두 천체를 함께 도는 행성: 약 5AU 바깥이어야 안정하다. 별빛이 지구가 받는 양의 몇십분의 1로 줄어 너무 차갑다.

결국 가이아 BH1에서는 안정한 궤도와 알맞은 온도가 겹치는 자리가 없다. 블랙홀이 멀리 떨어진 넓은 쌍성이라면 이야기가 달라질 수 있지만, 그런 계에서 행성을 찾은 사례는 아직 없다. 다만 다른 은하 M51의 X선 쌍성(블랙홀이나 중성자별)에서 토성보다 조금 작은 행성 후보가 X선을 가리는 모습으로 2020년 발표되고 2021년 학술지에 실린 적이 있다. 아직 확인되지 않은 후보다.

정리하면 블랙홀 곁의 생명을 둘러싼 이야기는 성격이 서로 다르다.

자주 묻는 질문

블랙홀 곁에서 발견된 행성이 있을까?

2026년 현재 블랙홀 곁에서 확인된 행성은 없다. M51의 X선 쌍성에서 보고된 행성 후보가 있지만 확인되지 않았고, 초대질량 블랙홀 둘레의 먼지 원반에서 행성(블라넷)이 생길 수 있다는 2019년 일본 연구팀(와다 등)의 제안도 아직 이론 단계다.

밀러 행성은 과학적으로 맞는 설정일까?

시간 지연과 조석력은 킵 손의 계산을 바탕으로 했고, 거대하고 빠르게 자전하는 블랙홀이라면 그 궤도에서 행성이 부서지지 않는다는 점도 맞다. 다만 그 자리에서 받는 복사를 계산한 논문들은 행성이 너무 뜨겁고 자외선이 강하다고 본다.

마치며

블랙홀 생명 가능 영역은 이론적으로 아주 좁은 조건에서만 그려 볼 수 있다. 거의 최대로 자전하는 거대한 블랙홀, 조용한 원반, 그리고 가혹한 복사를 견딜 무언가가 함께 있어야 하고, 지금까지 그런 곳을 관측한 적은 없다. 빛 한 줄 내지 않는 천체 곁에서 차가운 하늘을 난로로 바꾸는 방법까지 계산해 낸 상상력이 이 질문에서 가장 흥미로운 부분이라고 생각한다.