블랙홀에 대한 진실

블랙홀에 대한 진실, 어디까지가 진실이고 허구일까

 

밤하늘을 올려다보며, 우리는 종종 머리 위에서 반짝이는 별과 은하의 눈부신 진열에 사로잡힙니다. 이 천상의 화려함 속에서, 블랙홀은 아마도 가장 매혹적이면서도 수수께끼 같은 실체로 떠오릅니다. 이 탐험에서, 우리는 블랙홀에 대한 진실을 밝히는 여행을 시작할 것이고, 그것의 심오한 본성, 흥미로운 형성 과정, 그리고 그것들이 야기하는 당혹스러운 현상들을 깊이 탐구할 것입니다.

 

 

블랙홀(Black hole, 黑洞)이란?

 

그것들의 중심에서, 블랙홀은 심지어 빛도 빠져나갈 수 없는 거대한 중력으로 특징지어지는 우주 이상 현상입니다. 이 독특한 현상은 거대한 별의 붕괴로부터 발생하는데, 그 별의 자체의 중력이 너무 강력해져서 근처에 있는 빛을 포함한 모든 것을 삼켜버립니다.

 

블랙홀은 중성자 별이 되지 못한 항성이 진화의 최종단계에서 폭발 후 수축되어 생성된 것으로 추측되는, 강력한 밀도와 중력으로 전자기 복사, 빛을 포함한 그 무엇도 빠져나올 수 없는 시공간 영역입니다. 일반 상대성이론은 충분히 밀집된 질량이 시공을 뒤틀어 블랙홀을 형성할 수 있음을 예측합니다. 블랙홀로부터의 탈출이 불가능해지는 경계를 사건의 지평선(event horizon)이라고 합니다. 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우, 그 물체에게는 파멸적 영향이 가해지겠지만, 바깥 관찰자에게는 속도가 점점 느려져 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보입니다. 블랙홀은 빛을 반사하지 않기에 이상적 흑체처럼 행동합니다. 또한 휘어진 시공간의 양자장론에 따르면 사건의 지평선은 블랙홀의 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체 같은 스펙트럼의 열복사를 방출하며, 이를 호킹 복사라고 합니다. 항성질량급 블랙홀의 경우 이 온도가 수십억 분의 1 켈빈 수준이기에 그 열복사를 관측하는 것은 본질적으로 불가능합니다.

 

블랙홀의 종류

 

블랙홀의 크기는 다양하며, 주로 세 가지 유형으로 분류됩니다.

 

항성질량 블랙홀

이것들은 초신성 폭발을 겪은 거대한 별들의 잔해로부터 형성되어 중력의 끊임없는 끌어당김에 의해 붕괴된 중심핵을 남깁니다.

 

중간 질량 블랙홀

항성 질량과 초질량 블랙홀 사이에 있는 이 실체들은 여전히 완전히 이해되지 않은 채 흥미롭게도 신비롭게 남아 있습니다.

 

초거대 블랙홀

은하 중심부에서 발견된 이 거대한 우주 괴물들은 우리 태양의 수백만 배에서 수십억 배에 이르는 질량을 가지고 있습니다. 

 

블랙홀의 탄생

 

블랙홀의 경외심을 불러일으키는 탄생은 거대한 별의 재앙적 죽음에 뿌리를 두고 있습니다. 별이 핵연료를 소진할 때, 중심부는 불안정해져서 초신성이라고 알려진 강력한 폭발로 이어집니다. 이 타이타닉 폭발 동안, 중심부는 극심한 중력으로 붕괴되는 반면, 그 별의 외부 층은 우주로 방출됩니다. 만약 나머지의 질량이 태양의 질량보다 현저하게 크다면, 그것은 블랙홀로 붕괴됩니다.

 

 

반환 불가 지점

 

블랙홀의 개념의 중심에는 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나올 수 없는 보이지 않는 경계인 사건의 지평선이 있습니다. 그것은 돌아오지 않는 우주의 지점과 같습니다. 이 문턱을 넘는 모든 것은 블랙홀의 심장으로 이해할 수 없이 빨려 들어가 관찰 가능한 우주에서 사라집니다.

 

 

 

일반상대성이론

 

1915년, 알베르트 아인슈타인이 일반상대성이론을 고안하여 중력이 빛의 운동에 영향을 미침을 보였습니다. 불과 몇 개월 뒤, 카를 슈바르츠실트가 점질량과 구질량의 중력장을 기술하는 아인슈타인 방정식의 해를 구하였습니다. 슈바르츠실트로부터 또 몇 개월 뒤, 헨드릭 로런츠의 지도학생인 요하네스 드로스터가 슈바르츠실트와 독립적으로 점질량에 대한 동일한 해를 구하였고, 그 성질을 보다 광범하게 기술하였습니다. 이 해는 아인슈타인 방정식의 일부 항이 무한대가 되는 중력 특이점을 가지는 특이행동을 보이는데, 이것을 오늘날 슈바르츠실트 반경이라고 불렀습니다. 이때까지만 해도 이 표면의 성질은 확실하게 이해되지 않았습니다. 1924년, 아서 스탠리 에딩턴이 좌표계의 수정을 통해 중력 특이점을 없앨 수 있음을 보였으나, 슈바르츠실트 반경의 특이점이 비물리적 좌표 특이점이라는 것을 의미한다는 것은 1933년에야 조르주 르메트르가 밝혀내었습니다. 한편 아서 에딩턴은 1926년 저서에서 어떤 별이 슈바르츠실트 반경 이하의 크기로 짜부라들 가능성에 대하여 다음과 같이 논하였습니다. 아인슈타인의 이론은 베텔게우스 같은 거대한 별들이 무지막지한 밀도를 가지는 것을 불가능하게 했습니다. 이유인즉 “반경 2억 5천만 킬로미터의 항성은 태양만큼 높은 밀도를 가질 수가 없었습니다. 우선 중력이 너무 커져서 빛이 그 별에서 탈출할 수 없을 것이며, 마치 지구로 되떨어지는 돌처럼 빛살이 별로 되떨어지게 될 것입니다. 둘째로 스펙트럼선의 적색편이가 너무 커서 스펙트럼이 소멸할 지경으로 편이할 것입니다. 셋째로 질량이 너무 큰 만큼 시공간에 대한 왜곡도 크게 발생하여 공간이 별을 아물어 숨겨 버릴 것입니다."

 

1931년, 수브라마니안 찬드라세카르는 특수상대론을 이용하여 전자축퇴물질로 이루어진 회전하지 않는 천체는 특정 임계 질량을 넘어서면 안정적인 해가 존재할 수 없음을 보였습니다. 그러나 에딩턴, 란다우를 비롯한 당대의 학자들은 아직 밝혀지지 않은 과정이 붕괴를 막을 수 있다는 이유로 찬드라세카르의 주장을 반대했습니다. 이들 기성 학자들의 주장은 부분적으로는 옳았습니다. 찬드라세카르 한계를 넘어서는 백색왜성은 붕괴를 일으켜 중성자별이 되며, 파울리 배타 원리에 의해 안정해진다는 것이었습니다. 그러나 1939년, 로버트 오펜하이머 등은 질량 3 M☉를 넘어서는 중성자별은 찬드라세카르 한계와 같은 이유로 붕괴하게 됨을 보였으며, 어떤 물리 법칙으로도 일부 별이 블랙홀의 지경까지 붕괴하는 것을 막을 수는 없을 것이라 결론 내립니다.

 

오펜하이머와 그의 공저자들은 슈바르츠실트 반경 경계에서 발생하는 특이점을 시간이 멈추는 거품의 경계라고 해석했습니다. 이것은 블랙홀 외부의 관찰자들이 보기에는 타당한 해석이지만(블랙홀 밖에서 보기에는 블랙홀 안으로 떨어지는 물체가 점점 느려지는 것처럼 보입니다.) 블랙홀 안으로 떨어지고 있는 관찰자에게는 적용되지 않습니다. 이 성질 때문에 중성자별이 재차 붕괴한 밀집성을 "결빙성(frozen stars)"이라고 불렀는데, 외부 관찰자가 보기에 별의 표면이 별이 슈바르츠실트 반경 이하로 붕괴하는 순간 이후 변화 없이 "얼어붙어" 버린 것처럼 보이게 될 것이기 때문입니다.

 

중력 렌즈

 

미래에 사용될 가능성이 있는 또 다른 블랙홀 판별법으로는 천체 주위에 발생하는 강력한 중력장을 통한 관측이 있습니다. 이러한 효과를 중력렌즈라고 합니다. ‘아서 에딩턴’이 처음으로 개기일식 때에 빛의 휘어짐을 발견한 이 효과는, 질량이 큰 물체 주위로 시공간이 왜곡되어 그 방향을 지나는 빛이 마치 광학적 렌즈를 통과하는 것처럼 굴절되는 것입니다. 관측을 해보면 빛이 수 각 초 정도만 굴절되는 약한 중력렌즈들이 발견되었습니다. 그러나 이것들이 블랙홀이라는 직접적인 증거가 밝혀진 적은 없습니다. 중력렌즈를 이용해 블랙홀을 발견할 한 가지 가능성으로는, 블랙홀 주위를 공전하는 항성을 관측하는 방법이 있습니다. 궁수자리 A* 주변으로 이렇게 공전하는 후보성이 여러 개 지목되고 있습니다.

 

블랙홀의 종말

 

호킹 방사선

이론 물리학자 스티븐 호킹은 블랙홀이 결국 완전히 검은 것은 아니라는 개념을 소개했습니다. 그는 사건 지평선 근처의 양자 효과로 인해 블랙홀이 방사선을 방출할 수 있다고 제안했습니다. 이 혁명적인 생각은 블랙홀이 시간이 지남에 따라 질량을 점차 잃고 궁극적으로 증발하여 블랙홀의 본질에 대한 우리의 이해에 도전을 제기합니다.

 

블랙홀 안의 물질의 운명

물질이 블랙홀로 나선형으로 돌아서면서, 그것은 특별한 운명에 직면합니다. 극단적인 중력은 물질을 특이점이라고 알려진 무한 밀도의 지점으로 붕괴시킵니다. 이것은 일반 상대성 이론과 양자 역학 이론을 조화시키는 통합된 이론의 필요성을 강조하는 물리학 법칙에 대한 우리의 현재 이해가 무너지는 영역입니다.

 

 

우주의 거대한 태피스트리에서, 블랙홀은 우리에게 그들의 신비를 풀라고 손짓하는 심오한 수수께끼로 서 있습니다. 이 우주 짐승들은 공간, 시간, 그리고 물리학의 기본 법칙에 대한 우리의 개념에 도전합니다. 우리가 우주의 깊은 곳을 들여다볼 때, 블랙홀에 대한 진실은 우리의 탐험을 기다리는 무한한 경이로움을 겸손하게 상기시키는 역할을 합니다.