블랙홀 Black Hole

 블랙홀의 이론과 관측 가능성에 대해 알아보겠습니다.

블랙홀

블랙홀

 각종 영화와 소설 등으로 대중에게 친숙한 대상인 블랙홀은 물리학의 수학적 모형에 해당하며 빛조차도 빠져나올 수 없는 시공간이라고 할 수 있습니다. 블랙홀은 초신성 폭발 직후 무거운 별이 붕괴되어 생성된 중성자 별의 단계까지 가지 못한 항성이 폭발과 수축 과정을 거쳐 탄생했을 것으로 추측하고 있습니다. 참고로 중성자별은 관측된 우주의 천체 중 블랙홀 다음으로 밀도가 크며. 지름은 20킬로미터가 넘고 질량은 태양의 두 배를 넘습니다. 이 블랙홀의 외부 경계는 사건의 지평선이라고 하며, 일반상대성 원리와 관련이 있습니다. 한 대상의 내부에서 발생한 사건이 외부에는 영향을 끼치지 않는 지점이 존재하는데 그 지점을 지칭하는 것입니다. 그리고 이러한 이유로 인해 블랙홀로 빨려 들어간 물체와 빛의 탈출이 불가능한 것입니다. 

블랙홀 이론과 역사

  블랙홀의 개념에 대한 첫 언급은 18세기 영국에서 등장했습니다. 비슷한 의미를 갖는 Dark Star라는 개념도 있었으나 당시의 과학적 지식으로는 관련 내용의 입증이 어려워 주류 개념으로 인정받지는 못했습니다. 이후 알버트 아인슈타인의 일반상대성이론의 등장과 특수상대론등의 이론들을 거쳐가며 일방의 방향으로만 영향을 줄 수 있는 블랙홀의 특성을 이해하게 됩니다. 이어서 블랙홀의 정체가 중성자별이 되지 못한 항성이라는 것이 밝혀지며 과학계의 이슈가 되었고 무모이론에 따라 블랙홀 간에는 서로 구분할 수 있는 특징이 없다는 사실이 밝혀집니다. 전자기 복사를 모두 흡수하는 흑체와 동일한 복사를 방출한다는 이론인 양자장론에 의해 물리량과 에너지 전달 방식과 관련된 열역학 법칙의 해설이 가능해집니다. 블랙홀이 만들어지고 안정화되면 질량, 각운동량, 전하를 띠게 되는데 이런 특징은 블랙홀 외부에서만 보입니다. 블랙홀의 안으로 빨려 들어간 대상은 외부로의 탈출이 불가능하며 자유낙하 과정을 통해 가느다랗고 길게 늘어나며 결국에는 뭉개지며 블랙홀의 질량에 포함됩니다. 다른 이론으로는 블랙홀 내부를 통과해 다른 공간으로의 탈출이 가능하다는 주장도 있습니다만 이는 어디까지나 가설일 뿐이라 입증된 것은 아닙니다. 일반상대성 이론에서는 회전하는 질량체는 주변의 물질들을 끌어당기는 영향력을 갖는데 이는 블랙홀 주변에서 정지 상태의 유지가 불가능함과 일치할 것으로 보고 이를 작용권이라고 부릅니다. 블랙홀 내부에서 탈출이 불가능한 이유 중의 하나로는 사건의 지평선에서는 왜곡이 발생해 시공간이 틀어지므로 탈출에 필요한 경로 자체가 존재할 수 없기 때문이라고 합니다.  

블랙홀 관측

  인류는 지금까지 블랙홀을 실제로 관측하는 데에 성공한 적이 없습니다. 우리가 흔하게 알고 있는 블랙홀의 모습은 간접적인 측정 방법과 이론에 근거해 그 모습을 상상해 낸 상상도에 가깝습니다. 간접적 측정 방법으로는 첫 번째로 원시별, 중성자별, 또는 블랙홀과 같은 중심물체의 주위로 궤도 운동하는 확산 물질로 인해 만들어진 구조인 강착원반 내부에서 가스가 고속 회전하게 되면서 대규모로 에너지를 내보내게 됩니다. 이 과정을 거쳐 방출된 에너지는 관측이 가능하기 때문에 이것을 블랙홀 관측의 근거로 볼 수 있습니다. 두 번째는 강한 전파를 발산하는 은하에서 관측되는데 높은 광도를 보이는 은하의 핵이 블랙홀의 영향을 받기 때문이라고 합니다. 이들 블랙홀은 태양과 비교해 질량이 수십억 배 더 크고 모든 은하에 존재한다는 이론입니다. 또 다른 방법으로는 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 발생하는 중력파를 측정하는 것인데 2016년에 성공한 것으로 알려져 있습니다. 중력파와 일반상대론 이론과 위배되는 관측 증거나 데이터는 추출되지 않아 검증에 성공했다고 여겨지는 유효한 사례라고 할 수 있습니다. 다음 관측 증거로는 은하의 항성들이 시간에 따라 그 위치의 변동이 일어나는 고유운동에 의해 블랙홀의 공전이 존재한다는 증거라고 보는 이론입니다. 항성의 움직임을 지속적으로 관측하면서 이 움직임에 영향을 주려면 일정 질량이 존재해야 하며 요구되는 질량이 너무 커서 그 대상은 블랙홀일 수밖에 없다고 주장하는 것입니다. 질량과 관련 있는 강착원반의 엑스선 방출과 먼 거리에 위치한 천체를 관찰할 때 그 빛이 관측자와 해당 천체 사이에 존재하는 대형 천체로 인해서 휘어지는 중력렌즈 효과 또한 간접적 관측의 증거가 될 수 있습니다. 기타 대안 가설들을 주장하기도 하지만 다른 여러 이론들과 상충되는 내용들로 설득력이 부족하다고 볼 수 있습니다.

블랙홀의 진화

 중력의 영향으로 무거운 천체의 낙하가 발생하는 중력 붕괴 현상이 나타나며 핵융합에 필요한 원소들이 고갈되거나 같은 현상을 보이기도 합니다. 이 과정에서 바깥 부분을 구성하는 물질들이 감소하고 붕괴 전후의 질량 차이에 따라 블랙홀로 진화하게 됩니다. 초기 우주에 등장했을 것으로 예상했던 초고질량 항성들의 경우 외부가 두꺼울 때에는 항성이 파괴되지 않은 채 성장하다가 마지막 단계에서는 은하 중심의 가장 큰 규모의 블랙홀이 될 것입니다. 블랙홀은 항성이나 다른 블랙홀 등을 흡수하면서 질량이 늘어나고 성장하게 됩니다. 반대로 양자역학적 효과로 블랙홀이 열복사를 내보내는 호킹 복사의 관점에서 보면 블랙홀은 방출로 인해 점차 소멸하게 되는 과정에 들어서게 됩니다. 이 이론에 따르면 블랙홀이 작을수록 복사의 속도가 빠르기 때문에 마치 블랙홀이 증발해 사라지는 것처럼 느껴진다고 합니다.