블랙홀 이론과 실제

그림. 1     젊은 블랙홀 상상도. 스피츠 우주망원경이 발견한 심우주의 퀘이사 두 개를 자료로 해서 그린 것.

블랙홀은 우주에서 가장 기이하고도 환상적인 천체라 할 수 있다. 물질밀도가 극도로 높은 나머지 빛마저도 빠져나갈 수 없는 엄청난 중력을 가진 존재다. ​

이 괴이쩍은 존재를 최초로 예언한 사람은 1783년, 영국의 과학자 존 미첼이었다. 그는 뉴턴 역학을 기반으로, 충분히 무거운 별의 경우 탈출 속도가 광속보다 더 커, 빛마저도 탈출할 수 없을 것이라고 추측했다. 13년 뒤 피에르시몽 라플라스도 비슷한 제안을 한 데 이어, 그로부터 1세기를 훌쩍 뛰어넘어 1916년, 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 블랙홀을 이론적으로 선보였다.

​일반 상대성 이론은 중력을 구부려진 시공간으로 간주하며, 질량을 가진 천체는 주변 시공간을 휘게 만든다는 이론이다. 사실 이전에는 ‘블랙홀’이란 이름조차 없었다. 그 대신 ‘얼어붙은 별’, ‘붕괴한 별’ 등의 이상한 이름으로 불려왔다.

'블랙홀'이란 용어를 최초로 쓴 사람은 미국 물리학자 존 휠러로, 1967년에야 처음으로 일반에 소개되었으며, 블랙홀의 실체가 발견된 것은 1971년이었다. 그 존재가 예측된 지 거의 60년이 지나서야 이름을 얻고 실체가 발견되었으니, 그 또한 심상한 일은 아니다.

블랙홀에도 종류가 있다

그런데 이 블랙홀에도 종류가 있다는 사실을 일반 사람들은 잘 모르고 있는 듯하다. 블랙홀이라고 다 같은 것은 아니고, 세 가지 유형이 있는데, 곧 항성 블랙홀과 초대질량 블랙홀 그리고 중간질량 블랙홀이 그것들이다.

♦항성 블랙홀— 작지만 강하다

항성이 생애의 마지막에 이르러 남은 연료를 다 태우고 나면 중력붕괴를 일으킨다. 내부에서 더이상 에너지가 생성되지 않기 때문에 천체 자체의 압력을 감당하지 못해 내부로 무너지는 것이다.

이때 태양 질량의 약 3배가 못되는 별은 중성자별이 되거나 백색왜성이 된다. 하지만 그보다 덩치가 큰 별들은 중력붕괴가 극도로 진행되어 항성 블랙홀을 만든다. 개별적인 별이 중력붕괴를 일으켜 만들어지는 블랙홀은 대체로 작지만 물질밀도는 놀라울 정도로 높다. 태양질량의 3배 정도 되는 별이 한 도시 크기 로 압축된다.

이 천체의 중력은 끔찍할 정도로 강해서 주위의 모든 가스와 먼지들을 끌어당겨 삼킴으로써 덩치를 키워간다. 하버드-스미소니언 천체물리학 센터에 따르면, 우리은하에 이러한 항성 블랙홀이 수억 개 정도는 된다고 한다.

♦거대질량 블랙홀— 어떤 가설이 맞을까?작은 블랙홀들은 은하의 곳곳에 존재하지만, 거대질량 블랙홀은 은하 중심부에 자리잡고 그 은하를 중력적으로 지배한다. 그 덩치는 놀랍게도 태양 질량의 수백만 배 또는 수십억 배에 달하기도 한다. 그러나 지름의 크기는 우리 태양과 비슷하다. 어마어마한 물질 밀도를 가지고 있다는 뜻이다.

이러한 블랙홀이 거의 모든 은하의 중심부에 있는 것으로 보이며, 우리 은하의 중심부에도 똬리를 틀고 있다. 이런 거대질량의 블랙홀이 어떻게 생성되었는가에 대해서 과학자들은 아직까지 정확한 답안을 작성하지 못하고 있다.

어쨌든 이런 블랙홀이 은하 중심에 자리잡고 나면 주변에 풍부한 물질들을 닥치는 대로 탐식하고, 그 결과 엄청난 질량의 블랙홀로 성장한다는 정도만 알려져 있다.

과학자들은 이 같은 거대질량 블랙홀이 무수히 많은 작은 불랙홀들의 합병 결과물이 아닐까 하고 생각하고 있다. 또는 거대한 가스 구름이 급격한 중력붕괴를 일으켜 이런 블랙홀로 발전한 것일 수도 있다고 본다.

세번째 가능성은 성단을 이루던 별들이 한 점으로 대함몰을 일으켜 블랙홀이 되었다는 가설이다. 나라면 어떤 가설에 손을 들어줄까 생각해보는 것도 재미있는 일이다.

♦중간질량 블랙홀— 블랙홀도 中庸의 미덕이?원래 과학자들은 블랙홀이 아주 작은 것과 엄청 큰 것, 두 종류만 있다고 생각해왔다. 그런데 최근 블랙홀에도 미디엄 사이즈(IMBHs)가 있다는 사실이 발견되었다. 이런 블랙홀은 성단 안에서 별들이 연쇄충돌을 일으킨 결과 태어나는 것으로 알려졌다.

이런 블랙홀들이 같은 지역에서 여럿 만들어지면 결국에는 합병과정을 밟게 되는데, 은하 중심의 거대질량 블랙홀은 이 같은 경로를 거쳐 생성된 것으로 보고 있다.

2014년에 마침내 천문학자들은 한 나선은하의 팔에서 중간질량 블랙홀이 탄생하는 것을 발견했다. 그들의 존재는 알고 있었지만 오랫동안 물증을 찾지 못했던 천문학자들이 애타게 기다리던 발견이었다.

그림. 2    강착원반과 제트 분출, 자기장 등 블랙홀 환경을 표현한 상상도.

블랙홀 존재 — 어떻게 알 수 있나?블랙홀은 엄청난 질량을 갖고 있지만 덩치는 아주 작다. 그만큼 물질밀도가 극도로 높다는 뜻이다. 따라서 중력이 극강이어서 어떤 것도 블랙홀을 탈출할 수가 없다. ​

지구 탈출속도는 초속 11.2km이며, 빛의 초속은 30만km다. 블랙홀의 중력이 너무나 강해 탈출속도가 30만km를 넘기 때문에 빛도 여기서 탈출할 수가 없는 것이다. 따라서 우리는 블랙홀을 볼 수가 없다. 그런데 과학자들은 블랙홀의 존재를 확인할 수가 있다. 어떻게? 블랙홀이 주변의 가스와 먼지를 강력히 빨아들일 때 방출하는 X-선 복사로 그 존재를 알 수 있는 것이다.

우리 은하 중심부에 있는 거대질량 블랙홀은 두터운 먼지와 가스로 뒤덮여 있어 X-선 방출을 막고 있다. 물질이 블랙홀로 빨려들어갈 때 블랙홀의 사건지평선 입구에서 안으로 들어가지 않고 스쳐지나가는 경우도 더러 있다. 블랙홀이 직접 보이지는 않지만, 물질이 함입될 때 발생하는 강력한 제트 분출은 아주 먼 거리에서도 볼 있다.

블랙홀은 특이점과 안팎의 사건 지평선으로 구성된다. 특이점이란 블랙홀 중심에 중력의 고유 세기가 무한대로 발산하는 시공간의 영역으로, 여기서는 물리법칙이 성립되지 않는다. 즉, 사건의 인과적 관계가 보장되지 않는다는 뜻이다.

이 특이점을 둘러싸고 있는 것이 안팎의 사건 지평선으로, 바깥 사건지평선은 물질이 탈출이 가능한 경계이지만, 안쪽의 사건 지평선은 어떤 물질이라도 탈출이 불가능한 경계다.

기존의 고전 역학에서 볼 때 빛까지도 이 중력장에서 벗어날 수가 없다는 결론을 내렸지만, 양자역학으로 오면 사정이 좀 달라진다. 블랙홀도 무언가를 조금씩 내놓을 수 있다는 것이다.

'블랙홀이 완전히 검지는 않다'​

1970년대 영국의 물리학자 스티븐 호킹은 블랙홀이 양자 요동(quantum fluctuation)으로 인해 무언가를 내놓는다는 것을 보여주는 이론을 완성했다.

양자론에 따르면, 아무것도 없는 진공에서 난데없이 입자와 반입자(antiparticle)로 이루어진 가상 입자 한 쌍이 나타날 수 있으며, 이 한 쌍은 매우 짧은 시간 존재하다가 쌍소멸된다. 대부분의 상황에서 이들 입자 쌍은 관측하기 힘들 정도로 매우 빠르게 생겼다가 소멸는데, 이를 양자 요동 또는 진공 요동이라 한다. 과학자들은 실제로 이 양자 요동의 존재를 실험적으로 확인했다.

​이 양자 요동 가운데 하나가 블랙홀의 사건 지평선 근처에서 일어난다면, 한 쌍의 입자가 사건 지평선 근처에서 생겨날 때는 블랙홀의 강한 기조력 때문에 헤어지기 쉽다. 즉, 두 입자 중 하나는 지평선을 가로질러 떨어지는 반면, 다른 하나는 밖으로 탈출하는 일이 발생할 수도 있다. 탈출한 입자는 블랙홀에서 에너지를 가지고 나간 것으로, 이 과정이 반복적으로 일어나면 외부의 관측자는 블랙홀에서 나오는 빛의 연속적인 흐름을 보게 된다.

호킹의 주장에 따르면, 이 같은 양자 요동 효과 때문에 블랙홀이 빛을 방출한다는 것이다. 이를 '블랙홀 증발'이라 하고, 이때 빠져나오는 빛을 '호킹 복사(Hawking radiation)'라 한다. 그래서 호킹은 '블랙홀이 실제로는 완전히 검지 않다'는 말로 이 상황을 표현했다. 호킹의 이론대로 블랙홀이 계속 증발한다면, 수조 년의 시간이 흐르면 블랙홀 자체가 완전히 사라질 수도 있다는 얘기가 된다.

블랙홀에는 질량과 전하, 각운동량 외에는 아무 정보도 얻을 수 없다. 그래서 흔히들 블랙홀에는 세 가닥의 털밖에 없다고 말한다. 이처럼 인류는 아직까지 블랙홀에 대해 아는 것보다 모르는 것이 더 많은만큼 블랙홀은 21세기 천문학과 물리학에서도 여전히 화두가 될 것으로 보인다.

 

 

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