블랙홀이란 무엇인가?

"블랙홀이란 무엇인가?"

 

딱딱! 지식연구소의 딱따구리입니다. 반갑딱:) 😀

이번에는 제가 너무나 궁금했었던 우주의 어둠의 신 블랙홀에 대해서 포스팅해보려 합니다.

경이롭고 신비한 블랙홀에 대해서 알아볼까요?

 

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블랙홀(black hole)은 강력한 밀도와 중력으로 인해 입자나 전자기 복사, 빛을 포함한 그 무엇도 빠져나올 수 없는 시공간 영역이다. 일반 상대성이론은 충분히 밀진 된 질량이 시공을 뒤틀어 블랙홀을 형성할 수 있음을 예측한다. 블랙홀로부터의 탈출이 불가능해지는 경계를 사건의 지평선(event horizon)이라고 한다. 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우, 그 물체에게는 파멸적 영향이 가해지겠지만, 바깥 관찰자에게는 속도가 점점 느려져 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보인다. 블랙홀은 빛을 반사하지 않기에 이상적 흑체처럼 행동한다. 또한 휘어진 시공간의 양자장론에 따르면 사건의 지평선은 블랙홀의 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체 같은 스펙트럼의 열복사를 방출하며, 이를 호킹 복사라고 한다. 항성 질량 블랙홀의 경우 이 온도가 수입 억분의 1 켈빈 수준이기에 그 열복사를 관측하는 것은 본질적으로 불가능하다.

 

중력장이 너무 강해서 빛이 탈출할 수 없는 천체의 개념은 18세기에 존 미첼과 피에르 시몽 드 라플라스 후작이 처음 생각해냈으며, 블랙홀로 특징지어지는 일반 상대론의 최초의 근대적 해는 1916년 카를 슈바르츠실트가 발견했다. 다만 아무것도 탈출할 수 없는 공간상의 영역이라는 해석은 1958년 데이비드 핀켈스타인의 논문에서 처음 등장했다. 블랙홀은 오랫동안 수학적 관심의 대상이 되었다. 1960년대에는 블랙홀이 일반 상대론에서 유도됨을 증명하는 이론적 연구들이 행해졌다. 중성자별의 발견은 중력 붕괴한 밀집성이 천체물리학적 실체로서 존재할 가능성에 대한 관심을 촉발시켰다.

 

항성 질량 블랙홀은 매우 질량이 큰 항성들이 수명이 다했을 때 붕괴하여 만들어지는 것으로 생각된다. 블랙홀은 형성된 뒤에도 주위의 질량을 흡수하여 성장할 수 있다. 다른 항성을 흡수하거나 블랙홀들끼리 융합하면서 수백만 태양 질량에 달하는 초대질량 블랙홀이 형성될 수 있으며, 대부분의 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이 존재한다는 것이 과학계의 일반적인 견해이다.

 

블랙홀의 안을 들여다볼 수는 없지만, 블랙홀이 다른 물질과 상호작용하는 것을 통해 그 성질을 알아낼 수 있다. 블랙홀 위로 낙하한 물질을 강착 원반을 형성하고, 원반은 마찰열로 인해 뜨거워져 열복사로 빛난다. 우주에서 가장 밝은 천체인 퀘이사는 이러한 과정을 통해 만들어진다. 블랙홀 주위를 공전하는 다른 항성이 있을 경우, 그 궤도를 통해 블랙홀의 질량과 위치를 비정할 수 있다. 이러한 관측을 통해 중성자별을 비롯한 다른 유사 천체들을 제외함으로써 천문학자들은 블랙홀 후보들이 포함된 쌍성계를 셀 수 없이 많이 발견해냈고, 우리 은하 중심 방향에 존재하는 전파원 궁수자리가 4백3십만 태양 질량의 초대질량 블랙홀임을 밝혔다.

 

2016년 2월 11일, LIGO 합동 연구진은 두 개의 블랙홀이 서로 융합하면서 발생한 중력파를 감지함으로써 역사상 최초의 중력파 관측에 성공했다고 발표했다. 이는 최초의 중력파 관측이며 동시에 최초로 블랙홀 쌍성계 융합이 관측된 사례이기도 하다.

 

2019년 4월 10일, 대한민국에서도 정태현 등 10명의 연구진의 참여한 EHT(사건 지평선 망원경, EHT:Event Horizon Telescope) 연구팀은 처녀자리 A 은하에서 최초로 찍은 블랙홀의 사진을 공개했다. 전파망원경의 파장을 작게 만들거나 망원경을 크게 만들어 해상도를 높여 촬영할 수 있었다. 1.3mm 수준의 작은 전파를 사용해 지구 전역에 흩어진 8대의 전파망원경들을 동시에 써 사실상 지구 크기의 전파망원경을 쓴 것과 같은 효과를 냈다. 연구 결과 사진의 블랙홀은 블랙홀 뒤에서 온 빛이나 주변에서 발생한 빛이 블랙홀의 중력에 의해 휘감겨 형성된 고리 모양의 구조 안쪽에 있는 것으로 나타났다. 이 공간은 내부의 빛이 빠져나오지 못해 형성되어 '블랙홀의 그림자'라고 불린다.

 

처녀자리 A 은하 중앙에 있는 초대질량 블랙홀의 사진

위 사진의 블랙홀 형상은 2016년에 최대 질량 블랙홀을 직접 찍은 최초의 사진이에요. 이 블랙홀의 질량은 태양의 약 70억 배나 된다고 하네요. 어마어마하죠? 블랙홀을 조사하면서 블랙홀이 서로 융합된다는 사실을 알게 되었습니다. 하나만으로도 엄청난데 융합이 된

다니.. 블랙홀의 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나오지 못하고 그 중력에 의해 고리 모양 구조의 공간을 이렇게 부르죠. '블랙홀의 그림자' 뭔가 그림자 속으로 빨려 들어갈 것 같은 기분이네요.

위 사진처럼 실제 블랙홀 형상이 측정되면서 이제 블랙홀의 진실이 밝혀질까요? 너무나 궁금합니다.

 

블랙홀에 대해서 조사하다 보니 상대성이론과 지평선 거리를 알게 되었습니다. SF 장르의 영화를 무척 좋아하는데 그중에 정말 재미있게 봤던 영화가 생각나네요. 바로 '인터스텔라'입니다. 본 영화에서도 상대성이론과 지평선 거리가 나왔던 것 같은데 혹시 아직 안 보신 분이 있으시면 꼭 한번 시청하시길 추천드립니다. 러닝타임은 길지만 광랄하고 신비한 우주 경험을 간접적으로나마 해보실 수 있으실 거예요. 영화관에서 영화 시청 중에 나왔던 우주 신을 보고 고요하고 감격을 잊지 못하는 그때 기억이 떠오르네요.

 

다음 시간에는 상대성이론과 지평선 거리에 대해 알아보겠습니다. ✌

 

그럼 딱따구리의 지식연구소는 여기까지! 

 

오늘도 좋은 하루 보내세요 딱딱! 😜

 

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2019/10/25 - 천문학이란 무엇인가?