잘모르지만 궁금한 블랙홀에 관한 이야기Ⅱ

1. 블랙홀이 회전하면 어떤 일이 발생하는가?

 블랙홀이 회전하게 되면 사건 지평선의 구조와 모양이 바뀔 수 있다. 만약 블랙홀이 회전하지 않는다면 사건 지평선은 특이점을 기준으로 완벽한 구의 형태를 띨 것이다. 블랙홀이 회전하면 사건의 지평선은 두꺼운 도넛 형태로 평평해지게 되며, 작용권이라고 불리는 구조로 발전한다. 이때 빛은 블랙홀에서 탈출하지 못하고 특이점 주위를 돌게 된다.

1. 블랙홀은 얼마나 클까
 블랙홀 중심에 있는 특이점은 부피가 없다. 반대로 사건의 지평선, 다시 말해 돌아올 수 없는 경계의 크기는 블랙홀의 질량에 따라 달라진다. 블랙홀과 사건의 지평선 간의 수학적 관계는 독일의 천문학자 카를 슈바르츠실트에 의해 유도되었다. 그래서 블랙홀의 사건의 지평선은 그의 업적을 기려 슈바르츠실트 반지름이라고 불린다.

 일반적으로 말해서, 항성 블랙홀의 슈바르츠실트 지름은 160km 정도 되지만, 초대질량 블랙홀의 지름은 몇백만 내지 몇십억 km에 달한다. 만약 태양이 줄어들어 블랙홀이 된다면, 슈바르츠실트 지름은 4.8 km 정도, 지구가 줄어들어 블랙홀이 된다면 슈바르츠실트 지름은 약 8mm가 된다.

 미국의 물리학자 존 아치볼드 휠러가 남긴 유명한 말이 있다. "블랙홀은 머리카락이 없다". 이 말의 의미는 블랙홀은 오직 기본적인 속성만을 갖는다는 것이다. 블랙홀은 별이나 은하가 갖는 복잡한 구조를 갖지 않는다. 블랙홀이 갖는 유일한 특성은 질량(무게), 회전(자전) 그리고 전하다.

2. 블랙홀은 얼마나 밀도가 높은가?
 카를 슈바르츠실트의 블랙홀의 사건 지평선의 지름에 관한 공식에 의하면 블랙홀의 밀도는 블랙홀의 질량에 따라 결정된다. 예를 들어 지구의 질량을 갖는 블랙홀의 밀도는 납의 밀도의 200조 배의 1조 배가 넘는다. 반대로 태양 질량의 10억 배인 블랙홀의 평균 밀도는 물의 밀도보다 훨씬 작다.
결과는 블랙홀의 크기에 따라 다르다. 만약 고밀도의 작은 블랙홀에 빠진다면, 매우 강력한 조석력이 신체에 엄청난 물리적 파괴를 일으키게 된다. 신체 앞부분은 뒷부분보다 훨씬 더 격렬하게 가속되어 원자와 분자가 서로 떨어지도록 잡아당긴다. 그래서 블랙홀에 빠진 사람은 아원자 입자들의 흐름의 형태로 빨려 들어가게 된다.

 그러나 낮은 밀도를 가진 초대질량 블랙홀에 빠진다면, 씨름할 그런 강력한 조석력이 없다. 이 경우에는 블랙홀의 사건 지평선 부근의 상대론적 효과가 확연히 드러나게 된다. 사람이 사건의 지평선에 가까이 다가갈수록, 속도는 점점 더 빛의 속도에 가까워진다. 속도가 빨라질수록 시간은 더 느려진다. 결과적으로 이 사람은 시간에 대해 너무 느리게 움직이게 되어 실제로 정지한 것처럼 보여서 사건의 지평선에 결코 도달하지 못하게 된다. 이 경우 결국에는 사건의 지평선이 밖으로 커지면서 사람과 맞닿게 되어, 사람의 몸은 E=mc²에 따라 물질에서 에너지로 바뀌고, 블랙홀 안으로 영원히 사라지게 된다.

 

3. 회전하는 블랙홀이 전하를 가지면 어떻게 될까?

 전하를 가진 입자가 계속해서 빙빙 돌게 되면, 전자기장이 형성된다. 블랙홀은 작은 부피 안에 많은 양의 질량을 가지고 있으므로, 굉장히 빠른 회전 속도를 가지게 되며 전하의 밀도 역시 엄청나게 높다. 이러한 조합은 우주에서 존재하는 가장 강력한 자기장을 형성한다.
 이러한 경우, 물질이 블랙홀로 빠지게 될 때 물질이 매우 뜨거워질 뿐만 아니라 엄청나게 자기화된다. 물질이 블랙홀에 빠지면 대부분 다시 볼 수 없게 되지만, 이 중 일부는 자기장과 연결되어 자기적으로 집중된 엄청나게 강력한 제트로 빠져나온다. 블랙홀이 얼마나 많은 질량을 갖고 또 얼마나 많은 전하를 갖고 있느냐에 따라 이 제트는 물질을 광속의 99% 혹은 그 이상으로 가속해 수천 혹은 수백만 광년을 날아가게 한다. 이와 같은 블랙홀 계에서부터 튕겨 나오는 상대론적 제트는 우주에서 가장 극적인 현상 중 하나다.

 

2.웜홀

1. 웜홀이란 무엇일까?
 현재의 가설에 따르면, 웜홀은 두 개의 끝을 가진 시공간의 불완전한 점이다. 시공간에서 하나의 특이점만 갖는 블랙홀 대신, 웜홀은 물질이 들어오는 하나의 입구와 물질이 나가는 다른 하나의 출구를 가질 수 있다.
 수학적으로 아인슈타인의 일반상대성이론을 이용해 우주의 먼 거리를 이동하는 것이 가능하다. 만약 우리가 아는 물리학 법칙이 웜홀에 적용되지 않는다면, 수학적으로 웜홀의 끝과 끝을 이동하는 데 빛보다 짧은 시간이 걸릴 수도 있다. 그러나 물리학 공식에 의하면, 미세한 입자만이 이러한 극적인 조건 아래에서 붕괴되지 않고 통과할 수 있다.

2. 웜홀은 실제로 존재하는가?
 아직 웜홀이 발견된 적은 없다. 과학 소설 작가들은 웜홀을 마치 물리의 법칙을 무시하는 좋은 방법처럼 여기지만, 실제로 웜홀이 존재한다면, 웜홀 근처에서 지구 규모의 모든 것이 붕괴되어야 한다.

 

3.. 우주 끈

1. 우주 끈이란 무엇인가?
 현재의 가설에 따르면, 우주 끈은 물질이 진동하는 거대한 끈 또는 닫힌 고리다. 이것은 거의 블랙홀과 같지만, 점이나 구가 아닌 길고 가는 형태다. 우주 끈은 우주 초기에 중력 편이에 의해 생겨났을 것이라고 생각된다. 이들은 초기 우주의 진화로부터 생겨난 접힌 자국 같은 것으로 예측되며, 또한 우주의 주름 같은 것으로, 시공간 안에서 움직이는 존재라고도 할 수 있다. 우주 끈은 길이가 수 광년에 이르고 사람 머리카락보다 훨씬 가늘며 수십억 개 이상의 별에 수십억 배 이상의 질량을 포함하고 있을 수 있다. 우주 끈은 또한 극도로 강한 전류를 띠고 있을 수도 있다.

2. 우주 끈은 실제로 존재하나?
 우주 끈은 아직 발견되지 않았다. 종종 관측상의 증거는 우주 끈의 존재를 암시하기도 하지만, 확증된 것은 없다. 또한 우주 초기에는 많은 우주 끈들이 있었으나, 현재는 거의 대부분 붕괴되어 사라졌을 가능성도 있다.

3. 우주 끈을 사용해 시간을 거꾸로 이동할 수 있을까?
 미국의 천체물리학자 리처드 고트는 우주 끈을 이용하면 가능할 수도 있는 특별한 종류의 타임머신을 묘사한 책을 발표했다. 간단히 말해서, 서로의 근처를 지나는 두 직선의 우주 끈이 우주에 존재한다면, 우주 끈이 지닌 중력의 영향으로 시공간이 크게 왜곡되어 시간이 고리 모양으로 이상하게 배열될 수 있다는 것이다. 만약 물체가 어떤 방법으로든 간에 그 고리를 따라가게 된다면 물체가 복잡한 시간의 통로를 지나 출발하기 이전의 시공간에 도달할 수 있다는 주장이다. 이 같은 '고트 타임머신'의 이론적 가능성에 대한 연구는 계속되고 있으나, 실제로는 우주 끈이 발견된 적은 없다.