블랙홀
** 블랙홀
- 블랙홀의 가장 평범한 정의는 어떤 물체의 중력이 너무도 강해서 빛마저 그것으로부터 도망갈 수 없다.
- 중력은 아이작 뉴튼(Sir Isaac Newton, 1642 ~ 1727)에서 시작한 이론, 중력이론은 모든 근대과학의 출발이지만 이 이론은 행성의 운동을 설명하기 위하여 고안됐다.
- 중력이란 무게가 있는 두 물체는 반드시 서로 잡아당긴다는 것으로 그 힘은 질량(mass)에 비례한다. 따라서 무거울수록 세게 잡아당긴다.
- 우주에는 4개의 힘이 있는데 보통 중력이 그 중 가장 약한 힘이다.
- 라플라스(Marquis de Laplace, 1749 ~ 1827), 미첼(John Michell, 1724 ~ 1793)은 뉴튼 이론에 따라 처음 블랙홀 존재를 예측
- 프린스턴 물리학자 휠러(John Archibald Wheeler, 1911 ~)는 1967년 블랙홀이란 이름을 처음 만들었다.
- 블랙홀을 설명하기 위해서는 뉴튼이론보다는 아인슈타인의 일반상대성이론이 더 발전된 이론이다. 왜냐하면 블랙홀 근처에서는 중력이 너무 강해서 뉴튼법칙은 잘 적용이 안된다. 광속이 개입되는 일반상대성이론이라야 제대로 블랙홀이 설명가능해진다.
- 칼 슈왈츠쉴드(Karl Schwarzschild, 1873 ~ 1916) 독일의 천문학자·수리물리학자로서 아인슈타인의 일반상대성이론을 바탕으로 블랙홀을 수학적으로 증명
- 중력이 강해지면 모든 것은 구형의 모습을 띠게 된다. 그래서 블랙홀의 구조도 상상의 경계선이지만 완벽한 수학적 구형이 된다.
- 우리가 관찰할 수 있는 사건들의 경계선이기 때문에 이벤트 호라이즌(event horizon)이라고 부른다. 그 이벤트 호라이즌의 중심의 점은 특이점(特異點, singularity) 이라고 부른다.
- 특이점에서, 이벤트 호라이즌까지의 거리를 슈왈츠쉴드반경(Schwarzschild Radius), Rs라고 부른다.
- Rs = 2GM / C²(G는 뉴튼법칙의 중력상수, C는 빛의 속도 ∴변수는 블랙홀의 질량인 M 밖에 없다)
- 블랙홀의 중심은 질량(mass)은 있는데 부피가 없다. 밀도가 무한하게 되는 수학적인 특이점(singularity)이다.
- 이벤트 호라이즌(event horizon) : 빛이 빠져나올 수 있는, 특이점에서 가장 가까운 경계선. 호라이즌 내부는 영원히 관찰할 수 없다.
- 현대물리학의 가장 큰 과제는 블랙홀과 관련하여 양자역학과 일반상대성이론을 결합하려는 것이다.
- 행성(行星, planet) : 자체로 빛을 발하지 않는 항성(恒星, star) 주위의 물체. 지구는 별이 아니다.
- 블랙홀은 거대한 별의 수명의 마지막 단계에 형성된다. 질량이 클수록 수명은 짧다.
- 질량이 큰 별일수록 중력은 더 강해지는데, 중력의 힘을 버티는 것은 별 내부의 핵융합이다. 그러나 어느 시점에 가면 핵연료가 다 소진되어, 별은 곧 중력장만 남아 버티지 못하고 구심점을 향해 압축된다. 이때 물체의 밀도는 엄청 높아진다.
- 아주 거대한 별은 초신성(超新星, Supernova) 단계를 거쳐 결국 블랙홀이 된다. 초신성은 어마어마한 규모의 폭발이다. 마지막에는 중력에 저항하는 것이 아무것도 없게 되고 그 중심에 블랙홀이 남게 된다.
- 태양의 8배 이하 별 -> White Dwarf , 태양의 8배 ~ 25배 -> Neutron Star , 태양의 25배 이상 별 -> Black Hole
- 이벤트 호라이즌 내부로부터는 도무지 빛이 새어나올 수 없다. 그런데 천문학자의 관측의 수단은 빛이다. 블랙홀은 블랙이다. 빛이 나오지 않는다. 하지만, 그 주변의 기체가 그것으로 빨려들어갈 때 어떤 시그날이 관측될 수 있기 때문에 알 수 있다. - 블랙홀이 있으면 별 주변의 가스를 서서히 흡수한다. 이때 블랙홀로 빨려갈수록 엄청난 마찰이 생겨 고온에서 엑스레이(X-ray)를 방출한다. 따라서 엑스레이 관측을 통해 블랙홀을 확인할 수 있다.
- 우리 은하계의 한가운데는 엄청난 규모의 블랙홀(super-massive BH)이 있다.
- 우리 은하는 접시모양인데, 결국 1000억 개의 별들이 이 접시모양으로 분포되어 전체적으로 돌고 있는 것이다. 그러나 중앙의 볼록한 부분에서는 어떤 별들은 예외적으로 불규칙적인 공전을 하고 있다. 이런 현상은 은하계 중심에 블랙홀이 있다는 것을 의미한다.
- 우리 은하계의 별의 수와 질량과 수명을 알기 때문에 얼마나 많은 블랙홀이 있을까를 계산해낼 수 있다. 우리 은하계에만 1억 개의 블랙홀이 존재할 것으로 추측하고 있다.
- 은하계의 중심에 태양의 300만 배나 되는 거대한 질량의 블랙홀이 있다는 것이 거의 확정적 설이다. 우리 은하계 센터의 주변으로 일반 중력법칙으로 설명이 안되는 빠른 궤도를 그리는 별들이 관측되기 때문이다.
- 별들의 속도가 너무 빠르고 그 궤도가 좁아서 그 중심에 있는 블랙홀의 질량을 계산해낼 수 있다. 그 중앙의 물체의 질량이라면 주변 별들의 궤도보다 더 커야 할 텐데 그렇지 않으므로 우리는 그것을 블랙홀이라고 단정할 수 밖에 없다.
- 결론적으로 이런 거대블랙홀(super massive BH)이 1000억 개의 은하계의 중앙에 모두 자리잡고 있다고 생각하는 것이다.
- 블랙홀(stellar mass BH과 super massive BH)은 어디나 있지만 관측이 어렵다.
- 인간은 유한한 몸을 가지고 무한을 추구한다. - 주앙쯔(莊子)