우주에서 가장 신기하고 강력한 천체 블랙홀

블랙홀은 우주에서 가장 신기하고 강력한 천체 중 하나입니다.

그 질량이 매우 큰, 말그대로 너무 무거운 덩어리라서 그 안에 있는 빛조차 빠져나올 수 없지요.

그래서 블랙홀 안은 완전히 깜깜하고, 우리가 직접 볼 수도 없습니다.

이 특이한 성질 덕분에 과학자들은 블랙홀을 연구하면서 우주의 비밀을 조금씩 알아가고 있습니다.

블랙홀은 어떻게 만들어질까?

블랙홀에는 세 가지 종류가 있습니다.

 

1. 항성질량 블랙홀:

아주 큰 별이 수명이 다해 폭발(초신성 폭발)한 후, 그 남은 부분이 자신의 중력에 의해 아주 작게 압축되면 블랙홀이 될 수 있습니다. 이런 블랙홀은 보통 태양보다 몇 배에서 수십 배 정도 더 무겁습니다.

 

2. 초대질량 블랙홀:

은하 중심에 자리 잡은 거대한 블랙홀로, 태양보다 수백만 배에서 수십억 배나 더 무겁습니다. 이 블랙홀이 어떻게 생겼는지는 아직 정확히 모르지만, 작은 블랙홀이 서로 합쳐져 커졌을 거라고 추측합니다.

 

3. 원시 블랙홀:

우주가 처음 생길 때부터 있었을지도 모르는 작은 블랙홀입니다. 아직 직접적인 증거는 발견되지 않았지만, 과학자들은 이런 블랙홀도 가능하다고 보고 연구하고 있지요.

 

블랙홀을 어떻게 발견할까?

블랙홀은 스스로 빛을 내지 않기 때문에 눈에 보이지 않습니다. 그래서 과학자들은 간접적으로 블랙홀을 찾습니다.

예를 들어, 블랙홀 근처에서 별이나 가스가 빠르게 돌고 있는 모습을 보면, 그 근처에 블랙홀이 있다고 짐작할 수 있죠.

또, 블랙홀에 빨려 들어가는 가스와 먼지가 X-선을 내는 경우도 있어서, 과학자들은 이 X-선을 통해 블랙홀의 위치를 알아냅니다.

블랙홀 정보 역설: 사라지는 정보

만약 고유한 모양과 성질을 가진 물체가 블랙홀로 빨려 들어가면, 들어간 물체의 정보는 결국 사라지고 블랙홀의 바깥에서는 그 정보를 다시 볼 수 없게 되죠. 이걸 블랙홀 정보 역설이라고 부르는데, 이유는 물리학에서는 일반적으로 물체의 정보가 절대 사라지지 않고 어딘가에 남아있어야 한다고 보기 때문입니다.

하지만 블랙홀에선 이런 정보가 아예 사라져버리는 것처럼 보여서, 이게 맞는지에 대해 아직도 많은 과학자들이 고민하고 있습니다.

이 역설은 블랙홀이 마치 정보가 증발하듯 없어지게 만들어서, 우주가 어떻게 작동하는지에 대해 우리가 아직 이해하지 못한 비밀이 있음을 암시하고 있습니다.

블랙홀은 신기하게도 아주 단순한 특징들만 가지고 있습니다.

우리가 어떤 블랙홀을 보든, 그 블랙홀이 가진 정보는 딱 세 가지, 즉 질량, 전하(전기적 성질), 그리고 회전하는 속도(각운동량)로만 알 수 있지요.

어떤 물체가 블랙홀에 빨려 들어가면 그 모양이나 성질이 어떻게 생겼는지에 대한 정보는 완전히 사라지고, 블랙홀은 그냥 “더 무거워졌거나(질량), 더 많이 돌게 됐거나(각운동량), 전기가 더 많아졌거나(전하)” 하는 식으로만 변합니다.

이것을 털없음 정리 또는 무모 정리(無毛定理) 라고 합니다.

이렇게 이름 붙여진 이유는, 블랙홀은 원래 어떤 물체가 들어갔든, 마지막에 남는 정보는 “털이 없는” 상태처럼 아주 단순해진다는 이유입니다. 다른 모든 정보는 블랙홀 속에서 완전히 사라져서 우리가 확인할 수 없답니다.

 

블랙홀의 중요한 경계, 사건의 지평선

블랙홀에는 "사건의 지평선"이라는 경계가 있습니다.

사건의 지평선은 블랙홀의 “출입문” 같은 역할을 하는데, 이 문은 한 방향으로만 열려 있지요.

즉, 물질이나 빛이 사건의 지평선 안으로 들어가면 절대 다시 밖으로 나올 수 없다는 것입니다.

빛도 못 나오니 사건의 지평선 안쪽에서 일어나는 일들은 외부의 누군가가 절대로 볼 수 없는 거죠.

이 경계에서 무슨 일이 벌어지든, 그 정보는 블랙홀 밖의 우리에겐 영원히 숨겨진 거예요. 그래서 사건의 지평선이라는 이름이 붙었습니다.

일반 상대성이론에 따르면, 블랙홀처럼 큰 질량이 있는 곳은 시공간을 구부러지게 되는데, 시공간이 구부러지면 물체들은 이 구부러진 시공간을 따라가면서 블랙홀 쪽으로 점점 빨려 들어가죠. 블랙홀의 사건의 지평선에서는 이 구부러짐이 너무나도 강해서, 이 안쪽에서는 다시 바깥쪽으로 향할 수 있는 길이 아예 사라집니다.

시간의 흐름도 느려집니다. 

블랙홀은 시간의 흐름도 바꿉니다. 만약 우리가 블랙홀 근처로 간다면, 거기서는 시간이 천천히 가는 것처럼 보일 거예요. 멀리서 블랙홀을 바라보는 사람의 입장에서, 블랙홀 쪽으로 떨어져 가는 물체는 시간이 느려져서 멈춘 것처럼 보이고, 영원히 사건의 지평선에 닿지 않는 것처럼 보이겠죠. 이 효과를 중력적 시간 지연이라고 해요.

또, 블랙홀로 떨어지는 물체에서 나오는 빛도 점점 파장이 길어지면서 점점 더 어두워져요.

결국엔 그 물체에서 나오는 빛이 너무 어두워져서 안 보이게 되죠. 이건 중력적 적색편이라고 부르는 현상이에요.

-블랙홀의 사건의 지평선 모양

블랙홀의 사건의 지평선 모양은 블랙홀이 회전하는지에 따라 달라져요.

만약 블랙홀이 회전하지 않는다면 사건의 지평선은 완전히 둥근 구 모양이지만, 블랙홀이 회전하면 사건의 지평선이 약간 납작해져서 타원 모양이 돼요.

-낙하하는 사람의 시점

만약 블랙홀로 떨어지는 물체에 타고 있는 사람이 있다면, 이 사람은 이런 이상한 시간 흐름을 느끼지 못할 거예요. 그 사람은 자기 시계가 멀쩡하게 돌아가는 것처럼 보이고, 사건의 지평선을 지나면서도 특별한 걸 느끼지 않아요. 블랙홀로 떨어지는 사람에게는 사건의 지평선이 딱히 특별한 경계처럼 보이지 않기 때문이에요.

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블랙홀과 아인슈타인의 일반 상대성이론

1915년, 과학자 아인슈타인은 질량이 큰 물체가 주변 공간을 휘게 만든다는 이론을 발표했습니다.

이 이론에 따르면 아주 무거운 천체는 주변 공간을 매우 강하게 구부러뜨리고, 이 구부러짐이 극단적일 때 블랙홀이 될 수 있지요. 또 다른 과학자, 슈바르츠실트는 이 이론을 통해 블랙홀의 수학적 설명을 만들어냈고, 블랙홀의 중심에 “특이점”이 있다고 설명했습니다. "특이점"은 질량이 무한대로 모여있는 점이라서 현재 과학으로는 정확히 설명하기 어려운 상태입니다.

 

중력파와 블랙홀의 충돌

블랙홀 두 개가 충돌하면 아주 강한 중력파가 발생하는데, 이 중력파는 우주의 파동 같은 것으로 2015년에 LIGO라는 연구소에서 처음으로 탐지했습니다. 이 발견은 블랙홀이 서로 충돌할 때 어떤 일이 일어나는지 이해하는 데 큰 도움을 주었답니다.

 

블랙홀은 영원히 있을까?

과학자 스티븐 호킹은 블랙홀이 시간이 지나면서 조금씩 사라질 수 있다고 주장했습니다.

“호킹 복사”라는 이 이론에 따르면, 블랙홀은 아주 약하게 방사선을 방출하면서 서서히 질량을 잃게 되고, 시간이 지나면 결국 사라질 수도 있다는 것이지요. 하지만 이 방사선은 아주 미세해서 우리가 바로 관측할 수는 없습니다.

 

 

블랙홀을 실제로 찍다!

국제 연구협력 프로젝트인 ‘사건지평선망원경(EHT)’ 연구팀이 지구에서 빛의 속도로 5500만 년 가야 도착할 수 있는 거리의 거대한 은하 중심부에 있는 블랙홀을 관측했다.인간이 관측한 최초의 블랙홀이다.

2019년에 과학자들은 인류 역사상 처음으로 블랙홀의 “그림자”를 찍는 데 성공했습니다.

'사건의 지평선 망원경'이라는 프로젝트를 통해서 은하 중심의 초대질량 블랙홀 주변에서 빛나는 가스를 사진으로 포착했지요. 이 사진은 블랙홀이 실제로 존재한다는 강력한 증거가 되었습니다.

 

 

블랙홀 주변에는 흥미로운 공간들이 몇 개 있는데요, 그중에서 “광자구”와 “작용권”이라는 부분을 설명해보겠습니다.

광자구: 블랙홀 주변을 도는 빛의 경로

광자구는 블랙홀 주변에 빛이 도는 구역입니다. 이 구역에서는 빛이 블랙홀의 엄청난 중력 때문에 빠져나가지 못하고 그 주위를 빙빙 도는 것이지요. 빛이 이 구역에서 계속 돌 수는 있지만, 불안정해서 결국에는 블랙홀 쪽으로 끌려가거나 반대로 튕겨 나가게 됩니다. 만약 빛이 광자구보다 안쪽으로 들어가면, 그 빛은 블랙홀의 중력에 완전히 갇혀서 영영 빠져나올 수 없습니다.

작용권: 멈출 수 없는 공간

작용권은 블랙홀의 더 바깥쪽에 있는 공간인데, 이곳에서는 아주 특별한 일이 일어납니다. 블랙홀이 회전하고 있기 때문에, 그 주위의 공간과 시간도 함께 휘감겨서 끌려가는 느낌이에요. 그래서 이 작용권에 들어간 물체나 빛은 멈춰 서 있는 게 불가능해요. 다시 말해, 이곳에 있는 모든 물체는 블랙홀의 회전 방향으로 따라 움직일 수밖에 없어요. 작용권 안에서 정지하려면 블랙홀이 끌어당기는 힘과 반대로 빛보다 더 빠르게 움직여야 하는데, 이건 불가능하죠. 그래서 작용권 안에서는 절대 멈춰 있는 물체가 없어요.

작용권의 바깥쪽 경계를 “작용면”이라고 부르고, 그 안쪽 끝은 블랙홀의 사건의 지평선이에요. 사건의 지평선은 빛조차 빠져나올 수 없는 지점이지만, 작용권에서는 아직 바깥으로 빠져나오는 게 가능해요.

펜로즈 과정: 에너지를 얻고 나올 수 있는 방법

작용권에서는 재미있는 일이 또 하나 벌어지는데요. 물체가 작용권에 들어갔다가 빠져나올 때는 들어갔을 때보다 더 많은 에너지를 가지고 나올 수 있어요. 이건 블랙홀의 회전 에너지를 이용하는 덕분인데, 이런 과정을 펜로즈 과정이라고 해요. 블랙홀 안에 들어가지 않고도 에너지를 얻고 나올 수 있는 방법인 거죠.

이렇게 블랙홀 주변에는 빛과 물체들이 독특하게 움직이는 영역들이 많아서, 마치 우주의 놀이동산처럼 여러 가지 이상한 일이 벌어지는 공간이에요!

 

블랙홀을 연구하는 이유

블랙홀 연구는 단순히 하나의 천체를 이해하는 것을 넘어 우주의 시작과 끝, 그리고 물리학의 한계를 탐구하는 데 중요한 역할을 해요. 블랙홀은 공간과 시간이 극단적으로 왜곡된 환경이라서 과학자들이 새로운 이론을 실험해볼 수 있는 아주 중요한 대상이에요.