블랙홀이란 무엇일까?

안녕하세요. 정보를 알려드리는 다올입니다.

오늘은 어제에 이어 블랙홀에 대해 알아보도록 하겠습니다.

출처 : 구글이미지

다들 블랙홀하면 떠오르는 이미지가 계신가요? 블랙홀에 대해선 다들 들어보셨듯 호기심이 많으실거 같아 우주 속의 신비인 블랙홀에 대해 구체적으로 다뤄보고자 합니다.

■ 블랙홀이란 무엇일까요?

블랙홀이란 '중력이 너무 커서 빛조차도 빠져나가지 못하는 천체'를 의미합니다. 블랙홀은 존 미첼, 라플라스 등의 수학자들이 처음 생각해 낸 것이지만 이것은 오랫동안 이론으로 존재해왔죠. 그 이후 아인슈타인의 '상대성이론'에 의해 이론적으로 증명 되었으며, 백조자리에 있는 '시그너스 X-1'이라는 블랙홀이 관측되면서 블랙홀이 실존한다는 것이 밝혀졌습니다. 블랙홀 근처에 별이 있다면, 이 별에서 나오는 기체가 블랙홀로 흡수되며 X선이 방출됩니다. 관측자는 이 X선을 전파망원경으로 확인해야만 블랙홀이 있는 위치를 찾을 수 있는 것이죠.

■ 블랙홀의 생성 과정 두 가지

첫번째는 블랙홀의 질량이 엄청나게 큰 별의 진화 마지막 단계에서 만들어질 수 있습니다. 작은 별은 별의 진화 과정에서 ‘백색왜성’이라는 최후 진화 단계를 거치지만 태양보다 8배 이상 무거운 별은 ‘적색 초거성’이 되며, 초신성 폭발을 일으켜 ‘중성자별’로 남게 됩니다.  이 중 중성자별의 밀도가 무한대에 가까운 것이 블랙홀입니다. 이 폭발 과정에서 많은 먼지가 우주에 흩뿌려지며, 여기에서 다시 새로운 별이 탄생합니다. 

두번째는 별의 마지막 단계에서 생긴 블랙홀 이외에 ‘원시 블랙홀’이란 것이 있는데, 이는 약 150억 년 우주 대폭발(Big Bang : 빅뱅)에 의해서 창조될 때 물질이 크고 작은 덩어리로 뭉쳐져서 블랙홀이 생겨난 것입니다.  블랙홀은 질량을 잃으면서 조금씩 밝아지기 시작하며 거의 마지막에 증발이 심해져서 창백하게 빛나며 높은 에너지의 감마선을 방출합니다. 마지막에는 감마선 폭발이라고 해도 좋을 정도로 격렬하게 감마선을 방출하면서 증발하며 소멸한다고 합니다.

■  스티븐 호킹의 발견

스티븐 호킹은 21살 때 ‘루게릭병’을 진단받았습니다. 이는 근위축측삭경화증으로, 길어야 2~3년만 살 수 있을 것이라고 의사는 예측했습니다. 그런데도 그는 50년이 넘는 시간 동안 살아남았고, 그 시간 동안 우주에 대해 대단한 발견을 해냈습니다. 먼저 호킹은 어떤 물질이 블랙홀 안으로 들어가면 블랙홀은 사건의 지평선이 항상 커진다는 것을 증명했습니다. 어떻게 보면 블랙홀 안으로 빨려 들어가서 나올 수 없는 것은 당연한 이야기지만 이것을 수학적으로 증명해 낸 사람은 없었습니다. 이를 다른 것에 비유해 조금 쉽게 풀어보자면, 계의 무질서도를 나타내는 척도인 엔트로피가 커질수록 무질서도도 증가합니다. 어떤 것을 건드리지 않고 내버려 두면 엔트로피는 증가하게 됩니다. 얼음을 예로 들자면, 가만히 놓아두면 물이 됩니다. 하지만 에너지를 공급하는 냉장고가 없다면 물은 결코 다시 얼음이 될 수 없겠죠? 이와 비슷하게 블랙홀도 더 많은 물질들을 집어삼키면서 사건의 지평선은 커질 수밖에 없다는 것을 스티븐 호킹 박사가 증명했습니다.

■  블랙홀의 방출

호킹은 1974년 옥스퍼드에서 열린 양자중력 심포지엄에서 이 발견을 발표했습니다. 호킹은 양자역학 법칙을 블랙홀에 적용하며 블랙홀이 마치 뜨거운 물체인 양 입자를 만들고 방출한다는 사실을 발견했습니다. 그 결과 블랙홀의 질량은 서서히 감소하다가 결국 마지막에는 큰 폭발과 함께 사라진다는 사실까지도 발견했답니다. 이것은 물리학계를 완전히 뒤집어 놓은 사건이 되었습니다. 원래 블랙홀은 아무것도 방출하지 않으며 절대로 사라지지 않는다고 알려져 있었습니다. 스티븐 호킹은 태양 질량의 몇 배 정도인 보통 크기의 블랙홀이 완전히 증발하려면 우주의 나이보다 훨씬 오랜 시간이 걸릴 것이라 추정했습니다. 별만 한 질량을 가진 블랙홀이 완전히 사라지려면 1066년보다 더욱 긴 시간이 걸릴 것입니다. 그렇지만 빅뱅 속에서 질량이 아주 작은 블랙홀이 생겨났다면 어떻게 되었을까요? 이런 블랙홀은 이미 폭발해 버렸겠죠. 호킹이 이 개념을 발표하고 동료 물리학자들은 그의 의견을 불신했습니다. 하지만 그 후 2년 사이 과학자들은 호킹이 새로운 길을 열었다는 사실을 천천히 인식하게 되었습니다. 블랙홀의 온도를 측정해보니, 호킹의 주장대로 그 온도는 0도가 아니었습니다. 이것이 블랙홀에서 나오는 복사인, ‘호킹 복사’라고 알려진 복사의 온도였습니다.

■  슈바르츠실트 블랙홀

슈바르츠실트 블랙홀은 독일의 천문학자 카를 슈바르츠실트가 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 장 방정식(Field-equation)에서 유도해 낸 슈바르츠실트 계량1으로부터 나온 블랙홀 모델입니다. 블랙홀 모델 중 가장 단순한 형태의 블랙홀이며, 이는 구면 대칭을 이루고 있으며 회전하거나 대전되지 않은 블랙홀입니다. 즉 질량만 같다면 슈바르츠실트 블랙홀은 모두 물리적 성질이 같게 됩니다. 그러나 실제로 일반적인 블랙홀은 회전할 수도 있고 대전 될 수도 있습니다. 여기에 회전하면서 전하를 띠지 않은 블랙홀은 커 블랙홀(Kerr Black Hole), 회전하지 않고 전하를 띠는 블랙홀은 라이스너-노르드스트룀 블랙홀(Reisner – Nordstrom black hole), 회전하면서 전하를 띠는 블랙홀은 커-뉴먼 블랙홀(Kerr–Newman Blackhole)이라 불린다고 하네요!

슈바르츠실트 블랙홀은 회전하지도 않고 전하도 띠지 않기 때문에 매우 단순한 구조로 되어 있습니다. 구 대칭의 모습으로 중앙의 특이점을 향해 중력이 작용되는 모습을 보이며, 슈바르츠실트 반지름의 거리에 구형의 사건의 지평선을 갖고 있습니다. 멀리 떨어진 곳에서의 외부 중력장은 같은 질량을 가진 다른 천체의 중력장이 미치는 것과 동일한 영향을 끼칩니다. 이 해를 바탕으로 태양과 같은 질량을 가진 회전하지 않고 대전되지 않은 슈바르츠실트 블랙홀의 반지름을 유도해 보면 약 3km로  계산된다고 합니다.

궁금증 해결에 도움이 되셨길 바랍니다.

출처 : http://www.postech.ac.kr/ppostechian-section/2019-%EC%97%AC%EB%A6%84%ED%98%B8-%EA%B8%B0%ED%9A%8D%ED%8A%B9%EC%A7%91-%EB%B8%94%EB%9E%99%ED%99%80/