*블랙홀(Black Hole)

1969년에 미국의 물리학자 휠러(J.Wheeler;1911~)는 아인슈타인의 이론에서 예언하는
새로운 천체를 '블랙홀(Black Hole)'이라고 불렀다. 그 천체는 표면이 없고, 어떤 영역의
내부로 떨어져 들어가면 강한 중력으로 아무것도 그 곳을 빠져 나갈 수가 없다. 그 영역은
빛조차도 탈출할 수 없기 때문에 암흑의 세계이다. 이것이 블랙홀이라는 이름이 생기게 된 유래이다.
그 명명이 절묘하여 블랙홀은 신비로운 천체로서 많은 사람들의 관심을 끌고 있다.

1. 블랙홀이란?

2. 블랙홀의 형성 방식은?

3. 블랙홀은 왜 보이나?

1. 블랙홀이란?

아인슈타인(A.Einstein;1879~1955)이 '일반 상대성 이론'을 제창한 다음 해인 1917년에 독일의 수학자
슈바르츠실트 (K.Schwarzschild;1873~1916)는, 오늘날 블랙홀로서 알려져 있는 이 불가사의한 천체가
아인슈타인의 이론에 의해 예언된다는 것을 지적하다. 빛이 탈출할 수 없는 별 이야기는 18세기에 이미 프랑스의
수학자 라플라스(P.Laplac e;1749~1827)와 영국의 물리 학자 미첼(J.Mitchell)에 의해 논의되고 있었다.
그들의 논의는 뉴턴(I.Newton;1642~1727)의 '중력의 법칙'에 바탕을 둔 것이다. 그러나 블랙홀처럼 강한 중력을 가진
천체를 엄밀하게 따지려면, 아인슈타인의 상대성 이론의 등장을 기다려야 했다.
블랙홀은 밀도도 중력의 세기도 무한대인 '특이점(特異點, Singular point)'과, 그 주위의 '사상의 지평면
(事象-地平面, Event horizon)'으로 형성된다. 당시에는 사상의 지평면이 무엇을 의미하는가를 알 수 없어서,
제 1선의 연구자 모두가 그 연구에 몰두하였다. 연구 결과 지금은 사상의 지평면이, 거기서부터 안쪽으로 들어가면
모든 것이 탈출할 수 없게 되는 영역과의 경계면임을 알고 있다. 아인슈 타인의 이론에서는 빛보다 빨리 진행하는 물질은 없다. 가령 블랙홀의 중력이 엄청나게 강하여 빛도 거기서 탈출할 수 없다면, 다른 물질 역시 거기서 탈출할 수 없다. 블랙홀의 내부로 들어간 물질은 영구히 거기에
갇히게 된다. 그렇다면 모든 물질이 그 곳으로 들어가 버리는 특이점이란 과연 어떠한 곳인가? 그 곳은 어떤한 방정식도 의미가 없고, 어떠한 물리의 법칙도 전혀 통용되지 않는 세계이다. 특이점으로 들어가 버리면 어떻게 되는가? 그것은 현재 전혀 알지 못하고 있다. 오늘날 블랙홀이 실제로 존재하는 것은 틀림없는
사실인 것 같다. 그러나 여기에 이르기까지는 몇 가지의 중요한 연구와 발견이 있었다. 중성자 별과 펄서 (Pilsar;맥 동 전파원), 블랙홀의 후보인 X선 별의 발견,
영국의 물리학자 펜로즈(R.Penrose)와 호킹(S.Hawking;1942~)에 의한 '특이점 정리'의 증명, 은하 중심의 거대한 블랙홀이나 우주에 있어서의 미니 블랙홀의
형성 가능성의 지적 등이 그것이다.

2. 블랙홀의 형성 방식은?

현재 블랙홀로 생각되는 몇 개의 천체가 존재하고 있다. 그것은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 첫번째 유형은 별 진화의 마지막 단계에서 생성되는
블랙홀로, 태양 무게에서 그 수십 배 정도까지의 질량을 가진다. 별의 생애에 있어서 가장 주된 부분은 수소가 연소하고있는 '주계열(主系列)'일때이다.
무거운 별은 마지막에 초신성 폭발을 일으키고, 후에 중성자 별이나 블랙홀을 남긴다. 이러한 과정을 좀더 자세히 살펴보도록 하자. 진화가 진행된 무거운 별의
중심부는 거대한 중력으로 수축되고, 온도가 올라 가면서 차례로 핵융합 반응을 일으킨다. 수소가 타서 헬륨의 코어(핵)가 생긴다.

그 때 그 표면의 수소가 타고, 평형을 유지하기 위해 별의 바깥쪽은 자꾸만 팽창하게 된다. 그 후 코어에서는 핵융합으로 헬륨, 탄소나 산소, 실리콘 등이 차례로
연소해 나간다. 이 과정에서 중심부는 더욱 수축하고, 마지막에는 타는 일이 없는 철의 코어가 형성된다.
고온·고밀도의 중심핵에서는 철이 분해되어 중심핵 자신이 폭발적인 응축을 일으킨다. 이때의 충격은 초신성 폭발이되어 별의 바깥쪽 부분을 날려 보낸다.
남은 중심핵은 계속 중력 붕괴를 하여 마지막에 내부의 압력이 자신의 중력을 지탱할 수 있는 범위가 되면 중성자 별이 된다.
지탱할 수 없을 만큼 무거운 경우에는 한없이 붕괴하여 질량은 1점에 모이게 되고, 그 주위에 중력이 강한 영역이 형성된다. 이것이 바로 블랙홀이다.
중성자 별의 중심부에서는 강한 중력으로 원자핵이 그 상태를 유지할 수 없게 되어 대부분이 중성자의 형태로 존재한다.
블랙홀의 경우는 원자는 말할 것도 없고 중성자나 양성자조차도 그 모습을 보존할 수가 없다. 태양의 반지름은 69만 6000㎞인데 대략 이와 같은 질량의 중성자
별의 반지름은 약 10㎞이다. 블랙홀에서는 그것이 1점으로 수축되어 반지름 3㎞의 사상의 지평면을 형성한다.
블랙홀의 두 번째 은하 중심에 존재한다고 여겨지는 거대한 것이다. 그 무게는 태양의 100만 배에서 1조 배나 된다.
이 유형의 블랙홀은 별의 집단의 충돌이나 초중량 별이 중력 붕괴를 일으켜 생겼다고 생각되고 있다. [TOP]

3. 블랙홀은 왜 보이나?

블랙홀은 빛도 탈출시킬 수 없는데 어떻게 그 존재를 알 수 있는가. 가령 블랙홀 주변에 아무것도 없고 단독으로 존재한다면, 접근할 때까지 그것이
블랙홀인지 아닌지 모를 것이다. 그러나 별의 경우 그 대부분은 연성이라는 형태로 존재한다. 블랙홀 이 또 하 나의 별과 서로 그 주위를 돌고 있다면 별 쪽에서
블랙홀 쪽으로 물질이 흘러 나오고, 그 결과 블랙홀 주위에 '강착 원반(降着圓盤 )'이라고 불리는 회전 가스 원반 이 생긴다. 거기서 나오는 고에너지 X선을
관측하면 그것이 블랙홀인지 아닌지를 판정할 수 있는 것이다. 그렇다고는 하지만 현시점에서의 최종적인 요건은 그 천체가 충분히 무겁고 적어도 태양 질량의
수배의 무게를 가져야 하며, 또 충분히 작아야 한다는 사실밖에 없다. 블랙홀의 유력한 후보는 백조자리에 있는'백조자리 X-1'이다. 질량은 태양의 약 8 배로
생각되고 있다. 백조자리 X-1은 질량이 태양의 약 20배나 되는 청색 초거성과 연성계를 이루고 있다. 그 청색 초거성에서 흘러 나오는 가스가 형성하는 강착
원반 이 X선별로서 관측된다. 은하 중심에 있는 블랙홀의 경우에는 그 주위에 큰 강착 원반이 형성 되고, 거기서 거대한 에너지가 방출되고 있는 것으로 생각된다. 그 시간 변화와 에너지의 양을 생각하면 거대한 블랙홀로밖에는 생각되지 않는다. 처녀자리 은하단에 있는 'M87'이라는 은하에는 중심 부분에 태양 질량의
50억 배나 되는 거대한 블랙홀이 있는 것으로 생각되고 있다. 그 중심 부분에는 매우 무겁고 콤팩트한 천체가 있다는 것이 알려져 있고, 거기서 4,100광년
거리에 도달하는 거대한 제트가 분출하고 있다. 블랙홀이 중심에 있다고 생각하면 콤팩트한 천체와 제트의 에너지를 설명할 수 있는 가능성이 있다.

4. 블랙홀이란 대체 어떤 것일까?

가령 블랙홀에 자꾸만 접근한다면 어떻게 될 것인가? 우주선을 타고 블랙홀에 접근해 가는 사람과, 블랙홀에서 멀리 떨어진 우주 선에서 관측을 하는
두 사람을 가정하자. 우주선을 타고 블랙홀에 접근하는 사람은 강한 중력에 이끌려서 가속되어, 사상의 지평 면을 지난 것을 모르고 있을 것이다.
그리고 갑자기 시공간이 특이점에서 끝나고 만다. 이 경우 우주선은 강한 조석력으로 찢겨질 것이다. 태양 질량 정도의 블랙홀의 사상의 지평면을 지날 때,
신장 약 2m인 사람의 머리와 발끝 사이에 10억 G(만유 인력 상수 )나 되는 조석력이 걸리기 때문이다. 한편 블랙홀에서 멀리 떨어져 있는 우주선의 사람이 보면,
이 우주선이 블랙홀에 접근하는데 무한의 시간이 걸리는 것처럼 보인다. 블랙홀로 우주선이 떨어져 들어갈 때의 속도는 거의 광속에 가깝다.

광속에 가까운 속도로 운동하는 경우의 시간의 흐름은, '특수 상대성 이론'에서는 관측자에게 크게 의존한다. 사상의 지평면을 지날 때에 그 우주선을 타고 있는
사람의 시계로는 유한의 시간으로 통과할 수 있지만, 멀리 떨어져 있는 우주선에 있는 사람에게는 같은 현상이 무한의 시간이 걸리는 것처럼 보인다.
요컨대 블랙홀에 접근함에 따라 우주선의 속도는 차츰 떨어지고, 마지막에는 사상의 지평면에 고정된 채 움직이지 않게 되는 것을 보게 될 것이다.

여하튼 블랙홀에 접근함에 따라 우주선에서 나온 빛은 강한 중력에 의해 그 파장이 적색 쪽으로 크게 이동해 간다. 그 결과 가시광의 범위에서 벗어나 우주선
그 자체가 보이지 않게 된다. [TOP]

5. 블랙홀 망원경

블랙홀의 강한 중력은 시공간을 일그러지게 하고, 빛의 진로를 굽게 한다. 이 성질을 이용하면 우주의 끝에 있는 은하나 퀘이사를 살펴볼 수 있다.
도중의 은하나 블랙홀과 같은 중력원에 의해 빛이 굽어져서 우리가 보면 복수의 상이 나타나거나 그 모양이 찌부 러져 보이는 현상을 '중력 렌즈'라고 한다.
허블 우주 망원경이 포착한 네 잎의 클로버와 같은 천체는 그야말로 중력 렌즈 효과에 의한 것이었다. 이 밖에도 '아인슈타인 고리'라고 불리는 원통 모양으로
상이 길게 늘어난 것 등 다양한 형태의 상이 관측되고 있다. 중력 렌즈에서는 우리에게 원래는 도달할 수 없는 빛까지 중력으로 굽어져 도달하는 경우가 있으므로, 은하나 퀘이사의 상 중 에는 증광(憎光)되는 것이 있다. 따라서 멀리 있기 때문에 어두워서 도저히 관측할 수 없는 은하를 블랙홀의 중력 렌즈로 관측할 수 있게
되는 것이다. 중력 렌즈가 일어나는 빈도는 렌즈의 구실을 하는 은하나 블랙홀이 얼마나 우주에 있는가에 따라서 결정된다. 우주가 크면 클수록 그만큼 그 안에
포함되어있는 은하나 블랙홀도 많아지므로 중력 렌즈가 일어날 빈도도 많아진다. 이렇게 하여 어느 정도 중력 렌즈가 일어나고 있는가를 알면, 우주의 크기에
대한 정보를 얻을 수도 있다.

6. 블랙홀 안으로 들어가 보자.

많은 천체는 회전하고 있다. 블랙홀도 회전하고 있는 것이 있다. 회전하는 블랙 홀의 안이 어떻게 되어 있는가를 알아보자. 회전하고 있는 블랙홀 주위의
공간은 일그러지고, 블랙홀 바깥쪽에 '에르고 영역(Erg o Sphere)'이라고 불리는 공간 영역이 발생한다. 에르고 영역 안에서는 공간 자체가 광속 이상의 속도로
블랙홀에 이끌려서 돌고 있기 때문에, 어떠한 운동을 하여도 블랙홀이 도는 방향으로 끌려가게 된다. 회전의 또 하나의 효과는 블랙홀의 표면인 사상의 지평면의
내부에 또 다른 하나의 지평면이 나타나는 일이다. 이것을 '내부 지평면'이라고 부른다. 바깥쪽의 지평면으로 들어간 물체는 반드시 안을 향해 끌려가게 되는데,
내부 지평면보다 안쪽에는 큰 원심력이 작용하고 있어서 그 안으로 들어간 물체는 반드시 중심 방향으로 낙하하지 않고 운동할 수 있다. 단 내부 지평면의 밖으로 되돌아갈 수는 없다. 내부 지평면 안에서의 특이점은 고리 모양으로 분포한다. 이 내부 지평면의 안쪽 영역은 다른 우주로 가는 통로로 되어 있다.
다른 우주에서는 블랙홀이 아니라 '화이트홀(White Hole)'로 나타난다. 화이트홀이란 블랙홀과는 정반대로 그 안에 머물러 있지 못하고, 반드시 바깥 세계로
밀려 나가게 되는 시공간의 영역이다. 따라서 내부 지평면 안으로 들어간 물체는 잠시 거기 머문 다음 급히 내부 지평면 밖으로, 그리고 화이트홀 밖으로
내던져지게 된다. 그 곳은 이전과는 다른 우주이다. 단 내부 지평면이 안정하게 존재하는지의 여부는 알지 못하고 있는데, 많은 연구자는 불안정하다고 생각하고
있다. 다른 세계로 가는 통로가 되었다고 해도 순식간에 그 문을 닫아 버릴지도 모르기 때문이다. [TOP]

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