우주에서 가장 극단적 존재, 블랙홀이란… - 테크레시피

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초고밀도 천체인 블랙홀 전체 일종이면서 강한 중력 때문에 빛도 탈출할 수 없기 때문에 직접 관측하기조차 어렵다. 우주에서 블랙홀은 가장 극단적 존재인 것.

블랙홀은 우주에서 가장 강력하고 극치, 이상한 복잡한 존재이기도 하다. 블랙홀에 대해 생각하려면 먼저 공간과 시간에 대해 정리할 필요가 있다. 우주는 공간과 시간 속에서 존재하고 있지만 공간과 시간은 고정된 무대 같은 건 없다. 공간과 시간은 어디까지나 상대적인 것이며 물체 질량에 의해 공간이 왜곡될 수 있고 공간 왜곡이 물체 움직임을 좌우하기도 한다. 천체가 공간에 있으면 공간이 왜곡 중력이 발생하지만 블랙홀은 왜곡 경황이 아니라 마치 함정 같은 것이다.

블랙홀은 거대한 별의 끝이다. 별이 자신의 중력에 견딜 수 없게 되면 중력 붕괴를 일으켜 광속보다 4분의 1이라는 속도로 압축된 코어가 중성자별이나 블랙홀이 된다. 매우 큰 질량이 높은 밀도로 압축된 블랙홀은 시공을 크게 왜곡하고 있다. 태양 10배나 되는 질량을 가진 블랙홀도 직경은 불과 60km 정도다.

블랙홀 일정 반경보다 안쪽에 강력한 중력장이 형성되어 있어 빛조차도 탈출할 수 없다. 이 반경을 슈바르츠실트 반지름(Schwarzschild radius)이라고 부른다. 슈바르츠실트 반지름을 가진 구형을 사건 지평선(event horizon)이라고 한다.

사건 지평선에서는 빛도 나올 수 없기 때문에 외부에선 검은색 외에 아무 것도 보이지 않는다. 하지만 블랙홀 자체를 관찰할 수는 없어도 블랙홀 영향을 받고 있는 천체를 관찰해 간접적으로 블랙홀을 관찰할 수 있다. 또 많은 블랙홀은 응축원반(accretion disk)이라는 물질 원반이 존재하고 있다.

블랙홀 응축원반에 포함된 물질은 광속 절반 정도 속도까지 가속할 수 있고 입자 사이에 작은 마찰이나 충돌에 의해 10억 도 고온에 도달할 수 있다. 따라서 사건지평선 너머는 깜깜한 반면 블랙홀 응축원반은 엄청나게 밝은 것이다.

사건지평선 외곽에 도달하면 빛이 블랙홀을 돌고 돌아와 자신의 모습이 보인다. 이는 중력에 의해 빛이 블랙홀 주위를 돌기 때문이다. 중력은 빛 뿐 아니라 시간도 왜곡한다. 강력한 중력 하에 시간 흐름이 느려지고 사건지평선에 가까워지면 주위 경관이 가속된다.

한편 멀리서 사건지평선에 접근하는 물체를 보면 마치 슬로모션으로 움직이는 것처럼 보인다고 한다. 블랙홀 근처와 그 이외 장소에서 흐르는 시간 차이를 이용하면 미래로 가는 것도 가능하게 되지만 블랙홀에 접근하는 건 위험한 일이다.

블랙홀이 작을 경우 사건지평선에 있는 인간 머리와 더리에 걸리는 중력 균형이 맞지 않기 때문에 수직 방향으로 국수처럼 지연시켜 버리는 스파게티화 현상이 일어난다. 스파게티화 현상이 습격하면 결국 뜨거운 플라즈마 흐름이 되어 버린다.

또 스파게티화 현상이 일어나는 건 블랙홀이 작은 경우이면 큰 블랙홀은 지연 없이 사건지평선을 통과할 수 있다고 여겨지고 있다. 사건지평선에 들어가는 인간을 외부에서 관찰한다면 마치 인간이 중단된 것처럼 보인다. 이는 중력이 강하기 때문에 시간 흐름이 느려진다.

한편 사건지평선에 들어가는 인간 측면에서 주위는 더움에 싸여 작은 곳에서만 외부가 보이는 상태가 된다. 사건지평선 내부에선 시공이 왜곡되어 있으며 어디로 향해 전진하려고 해도 블랙홀 중심으로 끌어들일 수 있다. 블랙홀 중심에 있는 특이점은 중력장이 무한대가 되는 장소이며 모두가 무한하게 작게 압축된다.

특이점에 압축된 물질은 모든 특성을 잃고 블랙홀에 존재할 수 있는 성질은 3가지(Mass, Spin, Charge) 밖에 없다. 개별 블랙홀에 존재하는 차이는 양자 차이와 같다는 것이다. 시공 곡률과 밀도가 무한대가 되는 특이점은 계산에서 처리할 수 없기 때문에 일반상대성이론을 포함한 기존 물리 법칙이 성립되지 않는다. 특이점이 뭔지 생각하는 건 어려운 문제다.

또 블랙홀은 죽은 별에서 탄생했기 때문에 회전하는 경우가 많아 광속 90% 속도로 회전하는 블랙홀도 있다고 한다. 블랙홀이 고속 회전하는 경우는 특이점이 고리 모양이 되는 링 특이점(Ring singularity)이 형성된다.

회전하는 블랙홀 외부에 에르고 영역(ergosphere)이 존재하며 물체가 광속 이상 속도로 끌려 간다. 블랙홀이 결국 어떻게 되는지에 대해선 스티븐 호킹 박사가 제창한 호킹 복사에 근거한다. 양자역학으로 생각하면 블랙홀 사건지평선 부근에서 입자와 반입자가 발생할 전자쌍생성(Pair production)이 발생하고 있다. 보통 전자쌍생성으로 생긴 입자와 반입자는 곧 충돌해 소멸되지만 호킹 박사는 사건지평선 부근에서 일어날 경우 한쪽이 특이점에 떨어지고 다른 하나는 외부로 도망간다고 여겼다. 이 외부로 도망가는 입자가 호킹 복사다.

호킹 복사에서 방출되는 입자 질량 블랙홀에서 유래하기 때문에 궁극적으로 블랙홀은 질량을 방출해버리고 소멸하는 것으로 간주한다. 하지만 블랙홀은 큰 질량을 갖고 있기 때문에 모든 질량을 방출하고 소멸하려면 상당한 시간이 걸릴 것으로 전망되고 있다.

블랙홀을 이해하는 건 현대 과학을 갖고도 어렵다. 따라서 해명되지 않은 수수께끼가 많은 탐구하는 재미가 있을 수 있다.