잘모르지만 궁금한 블랙홀에 관한 이야기Ⅰ

우주의 블랙홀

1.우주에서 중력이 가장 강한 천체는 무엇일까?

 우주에서 질량이 가장 큰 천체가 가장 큰 중력을 미친다. 그러나 어떤 주어진 천체 근처의 중력장의 강도는 천체의 크기에도 의존한다. 천체의 크기가 작을수록 중력장은 더 강해진다. 커다란 질량과 작은 크기의 궁극적인 조합이 바로 블랙홀이다.

1. 블랙홀은 무엇인가?
 블랙홀은 탈출 속도가 빛의 속도 이상인 천체다. 이런 개념은 1700년대에 처음 제안되었다. 별의 크기가 아주 작고 질량이 매우 클 경우 만유인력이 빛의 입자가 탈출할 수 없도록 한다고 보았기 때문이다. 이러한 별은 블랙홀이 된다.

 

2. 블랙홀을 볼 수 없다면 천문학자들은 어떻게 블랙홀을 찾을 수 있는가?
 블랙홀을 찾을 수 있는 열쇠는 이것이 지닌 엄청난 중력이다. 즉 천체가 예상보다 훨씬 빨리 움직이거나 회전하는 것을 관측하는 것이다. 천체의 움직임을 세밀히 추적하고, 여기에 케플러의 행성 운동 제 3 법칙을 적용하면, 물체를 직접 보지 않고도 물체의 질량을 측정하는 일이 가능하다.
 블랙홀의 강한 중력장은 블랙홀 자체가 어둡다고 할지라도 블랙홀 근처와 그 주변에 엄청난 양의 빛을 생성할 수 있다. 블랙홀로 떨어지는 물질은 홀 주변에 모이는 많은 다른 물질들과 부딪치게 된다. 운석이나 우주선이 지구의 대기권으로 들어가면 뜨거워지는 것처럼, 블랙홀로 떨어지는 물질도 마찰 저항에 의해 열을 받는데, 때로는 수백만 도에 이른다. 이렇게 뜨거운 물질은 밝게 빛나며, 정상적인 작은 부피의 공간에서 발산하는 엑스선 복사와 라디오파의 범위를 넘어선다. 이 같은 숨길 수 없는 방출을 찾아냄으로써 천문학자들은 블랙홀 그 자체는 볼 수 없더라도 블랙홀의 존재를 추론할 수 있게 된다.

3. 상대성이론은 블랙홀과 관계가 있는가?
 검은 별이나 암흑성이라는 개념은 흥미로운 것이었지만, 1700년대 그 개념이 제안된 이후 한 세기가 넘도록 과학적으로 탐구되지는 않았다. 1919년 이후, 일반상대성이론이 확증되고 과학자들은 물질에 의한 공간의 곡률로서 중력의 의미에 관해 관심을 가지기 시작했다. 물리학자들은 우주에서 공간이 심하게 뒤틀림으로써 찢어지거나 혹은 구멍이 난 부분이 존재할 수 있다는 사실을 깨달았다. 그런 곳에 빠지면 어떤 것도 탈출이 불가능하다. 공간 안의 탈출할 수 없는 점이라는 일반상대성이론의 개념은 물리학자가 '블랙홀'이라는 용어를 만들게 했다.

4. 어떤 종류의 블랙홀들이 있는가?
 두 가지 유형의 블랙홀이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 세 번째 유형은 가설상으로만 존재할 뿐 아직 발견되지 않았다. 첫 번째 유형은 막연히 항성 블랙홀 혹은 저질량 블랙홀로 알려져 있는데, 매우 질량이 큰 별의 중심부가 붕괴하면서 생긴다.
 또 다른 유형은 초대질량 블랙홀이라 불리는데, 은하의 중심에서 볼 수 있으며 그 질량이 태양보다 수백만 배 혹은 수십억 배에 달한다.
 세 번째 유형은 원시 블랙홀로 불리는데, 우주의 아무 데서나 발견된다. 이러한 블랙홀은 시공간의 구조가 우주의 팽창으로 불완전했던 우주의 초창기에 생겨났다고 추측된다. 그러나 이러한 블랙홀이 존재한다고 확증된 것은 없다.
 그렇다, 블랙홀은 확실히 존재한다. 천문학자들은 블랙홀의 특성에 대한 가설을 세워놓고도 오랫동안 블랙홀이 실재하는지에 대한 여부를 확신하지 못했다. 그러나 1970년대부터 관측된 증거들은 블랙홀이 은하와 우주 곳곳에 존재한다는 사실들을 보여주기 시작했다. 오늘날 우주에는 수천 개의 블랙홀이 확인되었으며, 우주 전체를 기준으로 봤을 때는 그 개수가 수십억에 달할 수도 있다.

 

5. 블랙홀을 빠져나가는 일이 가능한가?
 영국의 물리학자 스티븐 호킹에 의하면, 블랙홀에서 에너지가 천천히 흘러나올 수 있다. 이러한 에너지의 유출은 호킹 복사라고 불리는데 이 같은 현상의 원인은 블랙홀의 사건 지평선이 완전히 매끄러운 표면이 아니어서가 아니라 아원자적 준위에서의 양자역학 효과에 따른 '희미한 빛' 때문이다. 양자역학 수준에서 공간은 이른바 가상 입자들로 채워져 있다고 생각된다. 가상 입자들은 두 개의 반쪽으로 나뉘어 나타나는데, 만약 가상 입자가 사건 지평선 안에서 생성된다면 반쪽 중 하나가 블랙홀 안쪽 깊숙이 빠지고, 다른 반쪽은 희미하게 빛나는 사건 지평선을 통과해 우주로 흘러나오는 아주 약간의 가능성이 존재한다.

 

6. 호킹 복사가 블랙홀에 미치는 역할은 무엇인가?
 호킹 복사는 매우 느리게 일어나는 과정이다. 예를 들어 태양 정도의 질량을 가진 블랙홀은 수조 년, 다시 말해 현재 우주의 나이보다 훨씬 오랜 기간이 지나야만 호킹 복사가 그 천체의 크기나 질량에 눈에 띄는 효과를 줄 수 있다고 한다. 하지만 충분한 시간이 주어지면, 블랙홀의 사건 지평선으로 흘러나온 에너지는 눈에 띌 정도가 된다. 물질과 에너지는 서로 변환이 가능하기 때문에, 블랙홀의 에너지는 흘러나온 만큼 줄어들게 될 것이다.
 이론적인 계산에 의하면, 에베레스트산 정도의 질량을 가진 블랙홀은 100억~200억 년 정도가 지나야 모든 에너지가 소멸하고, 호킹 복사로 인해 물질도 소멸되어 우주로 돌아간다고 한다. 물질이 모두 사라지는 마지막 순간에 블랙홀은 높은 에너지의 감마선을 방출하며 격렬한 폭발과 함께 사라진다. 아마 천문학자들은 언젠간 이러한 현상을 관측하게 되어 호킹 복사의 개념을 과학적인 이론으로 확증할 것이다.

7. 블랙홀의 구조는 어떻게 되는가?
 블랙홀의 중심, 즉 시공간 구조에 생긴 파열 또는 접힘은 특이점이라고 불린다. 이것은 부피가 없고 무한의 밀도를 가지는 한 점이다. 놀랍게도, 우리가 이해하고 있는 물리 법칙, 다시 말해 모든 우주에서 적용되는 무리 법칙이 블랙홀의 특이점에서는 적용되지 않는다.
 특이점을 둘러싸고 있는 경계를 사건의 지평선이라고 부른다. 이곳은 돌아올 수 없는 곳으로, 블랙홀에 대한 탈출 속도가 빛의 속도가 되는 곳이다. 블랙홀의 질량이 클수록, 특이점으로부터 사건의 지평선이 멀어지고 블랙홀의 크기도 더 커진다.