블랙홀과 사건의 지평선

블랙홀에 대하여

블랙홀이란 매우 강한 중력과 빛이나 기타 전자파를 포함한 그 어떠한 것도 그 사건의 지평선에서 벗어나기에 충분한 에너지를 가지고 있지 않은 공간영역을 말한다. 일반상대성이론에서는 충분히 콤팩트한 질량이 시공간을 변형해서 블랙홀을 형성할 수 있다고 예측하고 있다. 도망갈 곳이 없는 경계를 이벤트 지평선이라고 부른다. 교차하는 물체의 운명과 상황에 큰 영향을 미치지만 일반 상대성 이론에 의한 국소 검출 가능한 특징은 크게 없다. 블랙홀은 많은 점에서 빛을 반사하지 않기 때문에 이상적인 흑체처럼 기능한다. 게다가 곡선 시공간의 양자장 이론은 사건의 지평선이 질량에 반비례하는 온도의 흑체와 동일한 스펙트럼으로 호킹 복사를 방출한다고 한다. 이 온도는 항상 블랙홀의 10억 분이 1 켈빈이며 직접적으로 관측을 하는 것은 불가능하다. 블랙홀은 중력이 강해서 빛조차도 그 중력에서 벗어날 수 없는 시공간 영역이며, 거대한 별이 연료를 다 써버리고 그 자체의 중력에 의해 붕괴될 때 형성되며, 그것의 질량을 특이점이라고 하며 그 특이점이라고 알려진 하나의 점으로 압축한다. 

 

블랙홀의 특징

블랙홀의 특징은 질량, 스핀, 전하로 구분되고 항성 블랙홀, 중간 블랙홀, 초질량 블랙홀 이렇게 세 가지 유형으로 분류된다. 그중에 항성 블랙홀은 가장 흔하고 질량은 태양 질량의 몇 배에서 수십 배에 해당한다. 중간 블랙홀의 질량은 태양 질량의 100배에서 100,000배 사이인 반면 초거대 블랙홀의 질량은 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배 사이이다. 블랙홀은 빛을 방출하거나 반사하지 않기 때문에 보이지 않는다. 별이나 가스 구름과 같은 가까운 물질에 미치는 영향을 관찬함으로써 간접적으로 만 감지된다. 물질이 블랙홀에 떨어지면 사건의 지평선 주위에 강착원반을 형성하고 그것이 가열될 때 크고 많은 복사 에너지를 방출한다. 블랙홀의 존재에 대한 추측은 다른 물질과 이 상호작용이나 가시광 등 전자방사를 통해 추측할 수 있다. 블랙홀에 떨어진 물질은 마찰에 의해 가열된 외부 강착원반을 형성하고 우주에서 가장 밝은 물체 중 몇 가지를 형성할 수 있다. 초대질량 블랙홀에 가까운 별은 삼키기 전에 매우 밝게 빛이 나는 스트리머로 세단할 수 있다. 만약 다른 행성들이 블랙홀 주위를 돌고 있다면 그 궤도는 블랙홀의 질량과 위치를 결정할 수 있는데 이것은 중성자별과 같은 가능성이 있는 대체물을 제외하는 데 사용된다. 

 

블랙홀의 형성과 사건의 지평선

블랙홀의 형성은 우주에서 거대한 물체의 거동을 지배하는 물리법칙의 자연스러운 결과이다. 블랙홀은 천체 물리학적 물체 스펙트럼의 극단적인 끝을 나타내며 우주에서 가장 매력적인 물체 중 일부를 만드는 독특한 성질을 몇 가지 가지고 있다. 블랙홀은 태양의 최소 3배의 질량을 가진 거대한 행성들이 연료를 소진하고 나면 그 에너지를 생성하는 핵융합 반응을 더 이상 일으킬 수 없을 때 생성된다. 이러한 것이 일어나면 항성의 중심은 중력아래에서 붕괴되어 중성자별로 알려진 매우 밀도가 큰 콤팩트한 물체를 만들어 낸다. 중서아별이 충분히 크면 중력은 더 이상 중성자 퇴행성 압력에 의해 지탱할 수 없을 정도로 강해지고 이로 인해 별의 중심에 있는 중성자와 양성자가 서로 무너지는 것을 막는 힘이다. 이때 중성자별은 부피와 특이점으로 알려진 무한 밀도지점에 도달할 때까지 계속 붕괴되고 그것을 초가 하는 것은 아무것도 피할 수 없는 사건 지평선에 둘러싸인다. 블랙홀의 관찰은 2016년 2월 11일 중력파의 최초 직접 검출을 발표하고 블랙홀의 합병을 최초로 관측했다. 2019년 4월 10일 87개 은하 중심부초거질량 블랙홀의 2017년 이벤트호라이즌 망원경관측에 이어 블랙홀과 근방의 첫 번째 직접 이미지가 공개되었다. 2021년 블랙홀로 여겨지는 가장 가까운 천체는 약 1,500광년 떨어져 있는데 은하수에서 지금까지 발견된 블랙홀은 수십 개에 불과하지만 수억 개가 있는 것으로 추청하고 있으며 대부분 단독으로 방사선의 방출을 일으키지 않아 중력렌즈에 의해서만 검출된다. 이벤트 호라이즌은 블랙홀의 중요한 특징 중에 하나이고 관측된 특성에서 중요한 역할을 한다. 사건의 지평선 부근의 방사선과 물질의 거동을 연구함으로 인하여 극한 환경에서 중력 물리학과 공간과 시간 구조에 대한 귀중한 통찰을 얻을 수 있을 것이다. 블랙홀의 사건의 지평선이라는 것은 빛뿐만이 아니라도 블랙홀 중력 인력에서 벗어날 수 있는 특이점을 둘러싼 경계를 말한다. 탈출 속도보다 빛의 속도가 큰 블랙홀 중심으로 부터의 거리로 정의된다. 별이나 가스 구름 같은 물체가 사건의 지평선을 넘으면 블랙홀의 중력에 걷잡을 수 없이 끌려들어 가 버려 도망칠 수가 없게 된다. 사건의 지평선은 블랙홀에 떨어지는 물체의 돌아오지 못하는 점이며, 사건의 지평선을 넘어가면 우리가 알고 있는 물리적 법칙은 모두 붕괴된다. 사건의 지평선의 크기는 블랙홀의 질량에 정비례하고 블랙홀이 클수록 사건의 지평선은 특이점에서 멀어지게 된다. 그 예로 질량이 태양의 10배인 블랙홀은 반경 약 30km의 사건의 지평선을 갖게 된다.