블랙홀(black hole)

 

블랙홀(black hole)은 항성(별) 진화의 최종 단계에서 생성되는 천체로서 강력한 중력과 높은 밀도를

M87 블랙홀

가지고 있는, 입자나 전자기 복사, 빛을 포함한 그 무엇도 빠져나올 수 없는 시공간 영역이다. 물질은 만유인력에 의해 모든 다른 물질을 잡아당기는 힘을 가지고 있고 우주에 존재하는 수 많은 천체들이 가지고 있는 만유인력을 특별히 중력이라고 한다.

 

우주 공간에서 거대한 질량을 가진 항성이 붕괴 후 수축 되면서 작은 은 공간에 압축되면 강한 중력이 발생하고 주변의 물질을 당기게 되어 빛을 빨아들일 정도가 되면 블랙홀이 된다. 블랙홀은 빈 공간인 검은 구멍이 아니며 거대한 중력을 가진 천체이다.

 

블랙홀의 형성 단계

 

항성의 붕괴 : 블랙홀은 주로 질량이 큰 항성이 매우 강력한 중력에 의해 붕괴될 때 형성된다. 항성이 내부의 연료가 고갈되어 수명이 다 되었을 때, 자체 중력에 의해 천문학적인 압력을 받으며 내부에서 압축되고, 일정한 지름을 가진 핵을 형성한다. 

 

이 핵은 핵융합 반응을 지탱하던 압력이 사라져 더 이상 핵융합이 일어나지 않아 핵반응의 열 방출이 멈추게 되고, 그 결과로 핵 내에서의 중력이 압도적으로 강해지면서 항성은 붕괴되기 시작한다.

 

붕괴 후 수축 : 항성이 붕괴되면 중심부에서 수축이 시작되고 핵융합에 의해 유지되던 항성의 압력이 사라지면 중력이 우세해져 핵의 중심은 매우 밀도가 높아지고 부피가 작아진다. 이렇게 밀도가 높아진 핵의 중심은 블랙홀의 중심으로 발전하게 된다.

별의 폭발 장면

사건의 지평선 : 블랙홀은 중심부의 수축으로 인해 시공을 극도로 뒤틀어 시공간의 구조를 형성하는데. 이 구조에서는 사건의 지평선이라고 하는 경계가 형성된다.

 

사건의 지평선은 블랙 홀로부터의 탈출이 불가능한 경계를 나타내며, 그 안으로 들어간 물체는 블랙 홀로 향해 끌려들어 가게 됩니다. 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우, 그 물체에게는 파멸적 영향이 가해지겠지만, 바깥 관찰자에게는 속도가 점점 느려져 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보인다.

 

예를 들면 어떤 사람이 사건의 지평선 경계 안에서 1시간이 지나갔다면 경계 바깥쪽에 있는 사람에게는 100년이 지나갈 수도 있다는 의미이다.

 

블랙홀은 빛을 반사하지 않기에 이상적 흑체처럼 행동하고 또한 휘어진 시공간의 양 자장론에 따르면 사건의 지평선은 블랙홀의 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체 같은 스펙트럼의 열 복사를 방출한다.(호킹 복사)

사건의 지평선/ 출처 : 네이버

블랙홀의 크기

 

블랙홀은 질량과 크기에 따라 원시 블랙홀, 항성 블랙홀, 초대질량 블랙홀 세 가지 종류로 나눈다.

 

원시 블랙홀 : 가장 작다. 하나의 원자만큼 작으나 속에 산 하나의 질량이 있다고 보면 된다. 원시 블랙홀은 빅뱅 직후에 형성된 것으로 추정된다. 우주가 폭발하면서 팽창하는 동안 존재하는 물질 일부의 밀도가 극에 달하며 형성됐다는 것이다.

 

항성 블랙홀 : 중간 크기의 블랙 홀로 가장 흔한 유형이다. 태양의 질량보다 수십 배에서 수천 배 정도 무겁다. 은하계 내에 수십 개가 존재한다.

 

큰 별의 생애 마지막인 사멸 과정에서 중력으로 인해 붕괴하면서 탄생한다. 이때 붕괴로 인해 항성이 폭발을 일으켜 며칠간 밝기가 100만 배 이상 세지는 초신성 현상이 나타난다.

 

초질량 블랙홀 : 가장 큰 블랙홀은 이다. 이 블랙홀의 질량은 최소 태양 수십만 개에서 수십억 배에 이른다. 초대질량 블랙홀은 아직 그 기원에 대한 의견이 분분하다.

 

다만 블랙홀이 위치한 은하와 동시에 형성됐다고 본다. 태양 질량의 수십 배에서 수천 배의 블랙홀이 별 폭발로 형성돼 주변 물질을 빨아들이며 성장했을 것이라는 설, 우주 초기 물질이 모였으나 별이 형성되지 못하고 붕괴하면서 형성된 항성 블랙홀이 커진 결과라는 설이 있다.

 

큰 은하계는 중심에 초질량 블랙홀을 가지는 것으로 알려졌다. 블랙홀의 크기는 은하계의 크기 및 질량과 관련이 있는 것으로 추측된다. 태양계가 속한 은하계 중심에 있는 초거대 블랙홀은 궁수자리 A*이다. 대략 태양 430만 개와 같은 질량을 가지고 있고 수성과 태양 사이 거리 길이와 비슷한 지름을 가지는 것으로 추정된다.

 

블랙홀은 눈으로 볼 수 없다?

 

블랙홀은 모든 빛을 끌어당기는 강한 중력 때문에 시각적으로 볼 수 없다. 대신 블랙홀의 강한 중력이 주변의 별과 가스에 미치는 영향을 통해 간접적으로 볼 수 있다.

 

만약 별이 우주 속 특정 지점을 돌고 있는데 여기에 영향을 미치는 다른 별이 없다면 블랙홀 주변을 도는 것으로 추측한다. 이 별의 움직임을 연구하면 블랙홀의 존재를 밝힐 수 있다.

 

블랙홀의 중력에 의해 블랙홀 주변 항성의 대기 속 가스가 뽑혀나갈 수도 있다. 이때 블랙홀은 주변에 가스 물질로 이뤄진 디스크를 만들 수 있는데 이를 강착 원반이라고 한다.

 

강착 원반이 블랙 홀로 빨려 들어가며 높은 온도로 가열되는데 이때 가스는 모든 방향으로 X선을 방출한다. 전파망원경은 주로 이 X선을 측정한다. X선이 주는 정보는 블랙홀의 특성을 파악하는 연구 자료로 쓰인다.

 

블랙홀은 일반 상대성이론에 의해 예측되며, 충분히 밀집된 질량이 시공을 뒤틀어 블랙홀을 형성할 수 있다고 한다. 블랙홀은 우주와 관련된 다양한 현상과 연구 분야에서 중요한 역할을 한다.

 

블랙홀은 우주를 청소하기 위해 돌아다니지는 않는다. 블랙홀은 단지 우주의 다른 물체들처럼 중력의 법칙을 따를 뿐이다. 블랙홀이 지구에 영향을 미치려면 태양계에 매우 가까이 있어야 하는데 현재까지 관측된 바로는 가능성이 거의 없다.

 

당장 근처에 블랙홀이 있다고 해도 끌려가는 것은 아니다. 대신 중력 법칙에 의해 태양을 돌듯 블랙홀 주변을 돈다. 그러니 지구가 블랙홀에 빨려들어 갈 걱정은 필요 없다.