블랙홀

블랙홀

 

블랙홀은 중력이 강해 빛이 중력을 벗어나지 못해 빨려 들어가 나오지 못해 검게 보이는 천체다. 1783년 영국의 성직자 겸 자연철학자 존 마이클은 뉴턴의 역학과 중력 이론을 바탕으로 별들이 별들의 표면을 관통할 만큼 무겁지만 아주 작기 때문에 보이지 않는다고 주장했다. 그 후 아인슈타인은 1915년 일반 상대성 이론을 발표하였고, 같은 해 칼 슈바르츠실트는 블랙홀의 수학적인 해답을 발견하여 현대 물리학의 블랙홀을 이해할 수 있게 되었다. 일반적인 상대성 이론은 질량이 존재하고 시공간 곡선이며, 시공간 곡률의 효과는 중력과 동일하다는 것이다. 이 이론에서 블랙홀은 시공간이 뒤틀리고 입자나 빛이 빠져나갈 수 없는 영역이다. 이 지역 밖의 경계를 사건 지평선이라고 한다. 회전하지 않는 블랙홀의 지평선은 블랙홀의 질량에 의해 결정되는 슈바르츠실트 반지름에 위치한다. 태양 블랙홀의 질량은 슈바르츠실트 반경 3km이다. 수평선 내부의 블랙홀 상태를 관찰하는 것은 불가능할 뿐만 아니라 이론적으로도 탐구하기가 어렵다. 블랙홀 내부에서 방출되는 약한 빛, 즉 호킹 카피가 양자 효과 때문에 생성된다는 설이 있으나 관측으로는 검증되지 않는다.

블랙홀의 존재 증거

 

블랙홀의 존재는 수평선 밖에서 일어나는 일을 관찰함으로써 확인할 수 있다. 외부에서 물질이 유입되면 사건의 수평선 바깥에  부착 원반이 형성되고, 빛을 관찰해 중앙 부분의 질량을 가열하고 추정해 블랙홀을 확인한다. 우주에서 확인된 첫 번째 블랙홀은 강한 X선을 방출하는 시그너스 X-1 별자리다. 이것은 별과 비슷한 질량을 가진 별 덩어리 블랙홀이다. 은하를 포함한 대부분의 은하계 중심에는 태양의 수백만 배에서 수십억 배의 질량에 이를 수 있는 초거대 블랙홀이 있다. 은하 중심부의 초거대 블랙홀로 충분한 물질이 흘러 들어가면서 은하 중심부가 활성화되어 매우 강한 빛을 발산하게 되고, 퀘이사 나의 활동이 핵이 된다. 블랙홀에서는 시간 지연 현상이 발생한다. 블랙홀은 중력렌즈, 중력파 등 일반상대성이론과도 밀접한 관련이 있다.
일반상대성이론에서 안정적인 블랙홀은 질량, 각운동량, 전하에 의해서만 결정된다. 슈바르츠실트 블랙홀은 각운동량이 없고 질량만 있는 가장 단순한 블랙홀이며, 레이스너-노르드스트롬 블랙홀은 질량만 있고 각운동량이 없는 블랙홀이며 커 블랙홀은 질량만 있고 전하도 없는 각운동량만 있는 블랙홀이다. 질량과 각운동량, 전하를 모두 갖춘 블랙홀은 커 뉴먼 블랙홀이다. 이들은 모두 일반상대성이론의 긴 방정식의 수학적인 블랙홀 설루션을 발견한 학자들의 이름을 따서 명명되었다. 우주에 존재하는 거시적 물질은 대부분 무충전 중립(중립)이기 때문에 라이너-노르드스트롬 블랙홀이 만들어질 가능성은 낮기 때문에 우주에서 발견되는 블랙홀은 질량과 각 운동량만으로 특성이 구분되는 슈바르츠실트 블랙홀이나 카 블랙홀이 될 것이다.

블랙홀이 외부로부터 격리되어 있는 시공간 영역을 말하는 것이라면 블랙홀의 질량을 결정하는 물질이 어디에, 어디에 있는지 알고 싶을 것이다. 일반적인 상대성 이론에 따르면, 이 물질들은 블랙홀의 중심, 반지름 0, 무한 밀도에서 존재하는 특이점이어야 한다. 즉 블랙홀은 구멍의 중심에 존재하는 단수점에 의해 구멍과 같은 곡선의 시공간이 만들어지는 상태를 말한다. 그러나 블랙홀의 중심은 양자역학적 효과에 의한 수학적 특이점과는 다른 상태로 존재할 것으로 예상되지만, 아직 양자 메카로 충분히 고려된 완전한 중력 이론을 가지고 있지 않기 때문에 물리적으로 어떤 상태인지, 또는 어떤 종류의 주 티오 템포럴 패턴을 가지고 있는지 알 수 없다. 

 

블랙홀의 특징

 

블랙홀은 중력이 매우 강해 주변 가스를 압축할 수 있지만 이 과정에서 가스를 압축해 가열해 에너지가 더 풍부한 X선과 감마선을 방출한다. 빛의 속도 가까이에서 제트를 방출하는 전파 은하, 중심에서 더 많은 에너지를 방출하는 활동적인 은하핵, 우주에서 가장 밝은 물체인 퀴사는 모두 에너지를 방출하는 반면 블랙홀은 동체에 달라붙는 것으로 설명된다. 또한 블랙홀은 중력이 매우 강해 주변 가스를 부착할 수 있지만 이 과정에서 가스를 압축해 가열해 에너지가 더 풍부한 X선과 감마선을 방출한다.

한편 2015년 9월 14일 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 예측된 중력파는 마침내 중력파 탐지기 리고(LIGO)와 빌고(VIRGO)에 의해 검출되었다. 중력파는 무거운 천체의 움직임에 의해 우주 시간에 생성되는 파동을 의미하지만 중력파는 빛의 속도로 전파된다. 리고 등 중력파 탐지기들은 멀리 떨어진 두 거울 사이의 거리의 매우 미세한 변화를 감지하지만 2015년 9월 14일 감지된 거리의 변화는 태양 질량의 36배인 블랙홀과 태양 질량의 29배인 블랙홀을 결합해 m의 62배인 블랙홀을 만들 때 발생하는 공간 시간의 변화와 일치했다. 이로써 태양 질량 수십 배에 이르는 무거운 블랙홀이 있고, 서로 결합할 수 있다는 사실을 새롭게 확인했다.