우주의 비밀을 풀어 줄 열쇠 : 블랙홀

우주의 비밀을 풀어줄 열쇠 : 블랙홀

영화-인터스텔라에서-나온-블랙홀-가르강튀아

 

블랙홀은 우주에 있는 천체중에서 가장 최근까지도 베일에 가려진 미지의 천체이다. 너무 당연한 이유겠지만 탐사 자체가 어려운 천체라서 그렇다. 블랙홀은 관측으로만 연구가 가능한 천체지만 2019년 4월에 인류 최초로 촬영이 가능했다.

아인슈타인의 상대성 이론에 의해서 블랙홀이라는 개념이 처음 나오고나서도 100년이 지나서야 겨우 관측된 것이다.

 

블랙홀은 1783년 존 미첼이 암흑성(dark star)라는 개념으로 처음 고안되었으나 질량이 없고 파동인 빛이 중력에 의해 빠져 나오지 못한 다는 것이 당시 고전역학으로는 설명이 되지 않아 19세기 이전까지는 거의 무시되었다.

 

고전 역학에서는 탈출속도도 블랙홀을 이해하였는데 탈출속도가 빛의속도보다 빠르면 빛조차 탈출하지 못해서 검은 구체의 별이 된다는 것이었다. 

 

일반상대성이론에서는 블랙홀의 거대한 질량이 시공간을 뒤틀어서 생기는 현상으로 설명한다. 고전역학의 탈출속도의 개념에서는 빛보다 속도가 높으면 탈출이 가능할 수도 있겠지만 상대성 이론에서는 빛의속도보다 빠른 속도가 없기 때문에 블랙홀은 탈출속도의 개념으로 다가가면 해석하기 조금 난해 할 수 있다. 블랙홀은 어떠한 이유에서든 탈출이 불가능한 천체이기 때문이다.

 

상대성이론에 의해서 블랙홀은 시공간의 개념으로 정의 되면서 이러한 시공간의 일그러짐은 물체가 작을수록 일그러짐이 크다는 사실을 알게 되었는데, 단순하게 생각하면 지구는 구체지만 우리가 사는 면은 평지로 보이는 것처럼 큰 물체일수록 공간이 크게휘어지지 않고 부드러운 곡선을 갖게 되는 것이다.

 

이 의미를 재해석해보면 어떠한 천체라도 충분히 작은크기로 압축되면 블랙홀이 될 수 있다는 의미다. 알려진 바로는 지구가 블랙홀이 되려면 지름 2cm인 구형 천체로 압축이되면 블랙홀이 되고, 태양의 경우는 지름이 6km면 블랙홀로 변할 수 있다. 

 

블랙홀이 관측이 어려운 이유가 빛을 빨아들이기 때문에 확인이 어렵다. 따라서 블랙홀의 존재를 확인하기 위해서는 간접적인 관측방법만이 존재한다. 예를들면 주위의 중력적 상호작용을 통해서 확인하는 것인데, 사실상 이것도 어려운 이유가 주변의 가까운 천체는 블랙홀이 빨아들여서 이미 사라져있기 때문이다.

 

하지만 처녀자리에 있는 블랙홀이 위에서 언듭한대로 2019년 최초로 촬영에 성공했고, 우리은하 중심에 있는 블랙홀은 2022년 5월12일 최초로 촬영에 성공했다.

 

블랙홀이라고 예측되는 천체는 x선을 조사하는 방법으로 나이를 추정하고 무게를 추정하는데 가장 최근에 발견된 블랙홀이 132억년전 블랙홀이다.

132억년 가장 오래된 태초의 블랙홀 발견

 

블랙홀은 우선 사건의 지평선이라는 개념부터 이해해야한다. 사건의 지평선은 말그대로 블랙홀의 크기 그대로를 이해하면 좋겠다. 위에서 예를 든 것처럼 지구가 지름 2cm로 압축된 구체라면 사건의 지평선은 그 2cm짜리 구슬자체가 될 것이다.

 

사건의 지평선은 지평선이라는 말이 있는 것 처럼 경계를 뜻하는데, 어떠한 사건도 되돌아 올 수 없는 경계로 이해하면 된다. 빛도 빠져나올 수 없는 경계이기 때문에 사건의지평선 내부의 어떠한 정보도 읽어 드리지 못한다.

영화 인터스텔라에서 블랙홀 내부에 들어가서 정보를 딸에게 전달한 것은 영화적 표현이었을 뿐 실제로 블랙홀 내부의 정보를 외부로 전달할 방법이 전혀 없다. 어마어마한 사실을 알았다고 해도 말이다.

 

실제 관측된 블랙홀 사진을 보면 빛의 고리처럼 보이는것이 블랙홀 주변을 감싸고 있는데 이것을 강착원반이라고 한다. 강착원반은 별이 처음 반들어졌을 때 거대성운에서도 생기는 원반형태로 우주공간의 물질들이 블랙홀 주변을 매우 빠른 속도로 공전하면서 매우 뜨거우면서 밝게 빛나는 현상인데 물질들은 거의 빛의 속도로 빠르게 이동하고있다.

 

강착원반의 크기는 사건의 지평선의 3배에서 경계가 보이는데, 3배 안쪽으로 가면 어마어마한 속도로 블랙홀로 빨려 들어가기 때문에 그 공간에서는 물질이 없다고 보면된다. 영화 인터스텔라에서도 가르강튀아의 중력의 범위 밖에서 정보를 수집하는 표현들이 나오는데 블랙홀의 영향권에서는 시간지연이 일어나기 때문에 정보를 얻어더라도 이미 지구내에 살릴 사람이 없어지면 안되기 때문에 시간지연의 범위 밖에서 탐사가 진행되었다고 보면된다.

 

강착원반이 시간지연이 없는 공간이라는 의미는 아니다. 만일 지구가 블랙홀이 된다면 시간지연이 없는 영향권은 현재 지구 표면이라고 보면 될 것 같다. 내부로 가면 갈 수록 블랙홀의 영향권이 되기 때문이다. 만일 지구가 블랙홀이 되더라도 태양계의 행성들을 빨아들인다거나 그럴일은 발생하지 않는다. 그저 지금의 모습 그대로 유지가 될 것이다. 달도 그 모습 그대로 현재위 궤도를 돌게된다.

 

다시 블랙홀의 모습으로 돌아오면 강착원반 내부에 빛의 고리가 보이는데 빛은 물질이 아니기 때문에 반지름의 3배 안쪽궤도까지 들어갈 수가 있고, 그 한계가 사건의지평서늬 2.6배이다. 빛이 블랙홀이 휘게만든 시공간을따라 움직이다보니 2.6배 안쪽에서는 질량특이점을 향해 휘게되는데, 2.6배 부근에서는 블랙홀을 한바퀴돌아 크게 뻣어나간다.

 

따라서 블랙홀의 뒷면을 보게되는 것, 다시 말하면 사건의 지평선이 2.6배로 펼쳐져서 커져보이게된다. 원반의 모습도 원반이 내뿜는 빛이 블랙홀의 공간을 돌면서 위쪽과 아랫쪽으로 펼쳐져서 보이게 된다. 블랙홀을 따라 빛이 회전해서 뒷편의 그림자를 보여주기 때문이다.

 

그렇게 되면 우리가 영화에서 보았던 블랙홀의 모습이 보이게된다. 학자들은 영화 인터스텔라에 나온 블랙홀이 현존하는 영화중에 블랙홀을 가장 완벽하게 재현한것이라고 평가하고 있다.

 

물론 블랙홀이 회전하지 않는다는 가정하에 원반의 크기가 위처럼 정해지고 회전하게되면 다른 결과를 갖고있다. 또한 강착원반이 현재까지는 블랙홀을 관측하고 찾을 수 있는 거의 유일한 특징인데 강착원반이 존재하지 않는 블랙홀도 존재하기 때문에 발견되지 않는 블랙홀도 우주에는 굉장히 많을 것으로 추정된다.

 

강착원반은 블랙홀을 따라서 강하게 회전하고 있기 때문에 도플러 효과에 의해서 우리가 바라보는 방향에서 다가오는 방향으로 회전하면 더 밝게 보이고 멀어지는 방향은 덜 밝게 보이게 된다. 영화 인터스텔라에서의 블랙홀을 생각해보면 이해가 쉬울 것으로 보인다.

 

블랙홀의 형성은 보통 항성의 죽음을 통해서 형성되는데, 그보다 큰 블랙홀들은 거대한 가스덩어리에서 바로 형성되기도 한다. 이부분은 가설이지만 곧 밝혀질 것이라는 기대를 갖고있다.

 

다음 포스팅에서는 블랙홀의 형성과 소멸에 대해서도 조금 더 다뤄보도록 하겠다.

 

 

 

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