블랙홀의 물리적 특성 및 일반 상대성 이론

블랙홀의 물리적 특성

블랙홀에 대한 물리적 특성에 대해 무모하게 정리되어 있는 것들을 보면 일단 블랙홀은 형성이 된 후 안정적인 조건을 달성하게 되면 질량, 전하, 각운동량 같이 세 가지의 독립적인 물리적 성질만 가질 수 있다고 가정한다. 이런 가정을 하지 않으면 블랙홀은 특징이 없기 때문이다. 이 세 가지 특성들은 블랙홀 바깥쪽에서 보기 때문에 특별하게 보인다. 예를 들어 충전된 블랙홀은 다른 충전된 물체와 마찬가지로 다른 비슷한 전하를 시작한다. 마찬가지로 블랙홀을 포함한 구 내 총질량은 블랙홀에서 멀리 떨어진 가우스 법칙의 중력 아날로그를 사용하여 구할 수 있다. 블랙홀은 우주에 있는 매혹적이고 신비로운 물체로 스스로 무너져 내린 거대한 별들의 잔해로부터 형성된다.

 

블랙홀 물리적 특성의 종류

그렇게 형성된 블랙홀이 가지는 물리적 특성은 여러 가지가 있다. 첫 번째로 중력을 들 수 있다. 블랙홀은 믿을 수 없을 정도로 강한 중력을 가진 물체이다. 그 중력은 너무 강해서 한번 가까이 가면 빛조차도 빠져나올 수 없기 때문에 블랙홀이라고 부른다. 두 번째는 특이점이다. 블랙홀의 중심에는 특이점, 즉 물리법칙이 깨지는 공간의 한 점이 있다. 이 특이점은 모든 물질과 에너지가 하나의 점으로 뭉개져서 무한히 밀도가 높고 무한히 작은 것으로 생각하게 된다. 세 번째는 이벤트호라이즌이다. 사건의 지평선은 블랙홀 주위의 경계로 그 너머로 아무것도 탈출할 수 없다. 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어서면 그것은 필연적으로 특이점을 향해 당겨진다. 네 번째는 크기이다. 블랙홀은 우리 태양 질량의 몇 배에서 수십억 배에 이르는 다양한 크기로 나타난다. 블랙홀의 크기는 그 질량에 의해 결정이 된다. 다섯 번째는 스핀이다. 별처럼 블랙홀도 회전을 할 수 있다. 회전속도는 블랙홀의 중력과 사건의 지평선 모양에 영향을 미칠 수 있다. 여섯 번째는 정보손실이다. 블랙홀에 특이점이 존재한다는 것은 블랙홀에 떨어지는 정보의 운명에 대한 의문을 불러일으킨다. 정보가 블랙홀 안에서 파괴되는지 아니면 보존되는지는 물리학자들 사이에서 여전히 논쟁거리이다. 일곱 번째는 강착디스크이다. 물질이 블랙홀에 떨어지면 블랙홀 주변에 강착원반을 형성하는 경우가 많다. 이 원반은 물질이 가열되어 빛을 방출할 때 강한 방사선의 원천이 될 수 있다. 

 

블랙홀의 일반상대성 이론

블랙홀에 대한 일반상대성이론은 20세기 초 알베르트 아인슈타인에 의해 개발된 중력 이론이다. 일반상대성이론에 따르면 중력은 뉴턴이 믿었던 것처럼 물체를 서로 끌어당기는 힘이 아니라 거대한 물체가 만들어내는 시공간 구조의 곡률이다. 물체의 질량이 클수록 물체가 생성하는 곡률이 커지며 중력이 강해진다. 블랙홀은 거대하고 밀도가 높아서 강한 시공간의 곡률을 만들어내는 물체인데 블랙홀주위에 되돌아오지 못하는 지점을 사건의 지평선이라고 한다. 사건의 지평선 그 너머에는 빛조차도 탈출할 수가 없다. 블랙홀의 일반상대성이론은 관측을 통해 확인된 블랙홀의  특성과 행동에 대해 몇 가지 예측을 할 수 있다. 일반상대성이론은 블랙홀의 사건의 지평선이 블랙홀 주위의 구면 경계가 되어야 하며 그 너머로는 아무것도 탈출할 수 없다고 예측한다. 이러한 예측은 우리 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀을 포함하여 수많은 사례에서 관찰되었다. 일반 상대성 이론은 중력파의 존재를 예측한다. 중력파는 거대한 물체의 가속에 의해 야기되는 시공간의 구조에 파문을 일으킨다. 두 블랙홀이 서로의 궤도를 돌 때 그들은 지구에서 감지할 수 있는 중력파를 생성한다. 중력파를 직접 검출한 최초의 사례는 2015년 LIGO실험으로 10억 년 전 두 블랙홀의 충돌을 감지했다. 블랙홀과 관련된 일반 상대성 이론의 또 다른 예측은 중력렌즈라고 알려진 블랙홀 주변의 빛의 굴절이다. 빛이 블랙홀 근처를 지나갈 때 빛의 경로는 시공간의 곡률에 의해 휘어져 렌즈와 같은 효과를 만들어낸다. 이러한 예측은 2019년 사건지평선 망원경이 포착한 블랙홀 그림자의 유명한 이미지를 포함하여 많은 경우에도 관찰이 되었다. 블랙홀의 일반 상대성 이론은 현대 물리학에서 흥미롭고 중요한 연구분야이다. 일반 상대성 이론은 블랙홀의 특성과 주변 환경에 미치는 영향을 포함하여 블랙홀의 행동에 대한 중요한 이해를 제공한다. 관측을 통해 사건의 지평선의 존재, 블랙홀 주위의 빛의 굴절, 중력파의 검출 등 블랙홀과 관련된 일반 상대성 이론의 많은 예측이 확인이 되었다. 블랙홀에 대한 연구는 활발하게 계속 연구 중이며 새로운 발견이 계속 이루어지고 있다.