블랙홀 2

블랙홀 2
원제 : 블랙홀에 대한 잡담

처음 쓴 날 : 2004.01.14

마지막 고친 날 : 2009.10.11

블랙홀이란 거대한 질량의 물질이 모여있고, 그 내부의 에너지가 낮아서 중력에 의해 발생되는 압력을 물질이 지탱하지 못할때 생기는 가상의 천체입니다. 가상이란 단어를 표현한 것은 그 블랙홀의 특징이 빛까지 흡수함으로써 실제로 우리가 관측할 수 있는 가능성이 없기 때문에 이론적 예측만 하여 있다고 생각되는 것이므로 알수 없다는 의미에서 가상의 천체란 말을 사용한 것입니다.
블랙홀은 중력의 붕괴에 의해서 나타난 천체인데, 중력붕괴로 나타나는 천체는 여러 종류가 있습니다. 실제로 빛을 내고 있는 천체로부터 백색왜성, 중성자성, 블랙홀이 있을 수 있습니다.

블랙홀과 중성자별의 X선 사진 : 찬드라 망원경 홈페이지

백색왜성(white dwarf star)

백색왜성은 별의 외각이 중력을 이기고 외부로 날아간 뒤에 남은 핵을 주로 말합니다. 그러나 별이 초신성폭발을 일으킬때에 주변으로 날아가는 물질에 의한 충격파가 별 중심부의 무거운 원소[footnote]초신성 폭발을 일으키기 위한 중요한 조건이 별의 중심부에 핵융합에 의해 생성된 무거운 원소가 모이는 것입니다.[/footnote]를 심하게 압박하여 작은 부피 안에 큰 질량이 밀집되면서 형성되기도 합니다. 별의 외각이 자연스럽게 외부로 날아간 경우나 초신성폭발한 경우나 밖으로 방출된 물질들은 행성상성운이 됩니다. 행성상성운은 백색왜성이 방출하는 복사에너지로 밝게 가열되기 때문에 관측이 용이합니다. 백색왜성이 밝게 빛나는 시간은 매우 길어서 우주 초창기에 생긴 백색왜성이더라도 현재 수천K의 표면온도를 유지할 것입니다.[footnote]그러나 백색왜성을 형성하기 전단계의 별들은 질량이 작아 수명이 매우 길어서 이러한 백색왜성은 존재하지 않을 것입니다.[/footnote] 그러나 백색왜성이 행성상성운을 가열할 정도로 뜨거운 것은 폭발 직후 수십만 년 정도이고, 또 방출된 물질들도 빠르게 백색왜성에서 멀어지므로 행성상성운이 관찰되는 기간은 별로 길지 않습니다. 우리은하에서 발견된 행성상성운의 개수는 약 1500개 정도라고 합니다.[footnote]초신성은 한 은하에서 100년에 한 개꼴로 등장합니다. 1500개라면 15만년 정도동안 폭발할 정도의 천체이고, 우리은하를 전부 관측할 수 있는 것이 아니라는 걸 고려한다면 행성상성운이 관측되는 기간은 한 20~25만년 정도 되지 않을까요? ^^[/footnote]

중성자성(Neutron Star)
중성자성은 백색왜성보다 더 큰 질량의 천체가 초신성폭발을 일으킬 때 충격파와 중력이 더 크기 때문에 전자가 원자핵 속으로 침투하면서 만들어지는 천체를 말합니다. 전자가 원자핵 속으로 침투하게 되면 양성자와 전자는 융합하여 중성자로 변합니다. 따라서 중성자성은 하나의 중성자로 이뤄진 천체[footnote]제가 어렸을 때 이렇게 착각을 했었습니다. ㅎㅎㅎ[/footnote]가 아니라 전체가 중성자로 이뤄진 천체를 말합니다.(복잡한 이야기는 생략합니다.) 중력은 백색왜성보다 더 강하고, 중성자들이 전자기적으로 전하 0인 상태를 띄므로 초유체(점성이 없는 유체)가 되므로 항상 거의 정확한 구 모양을 띄고 있습니다.(회전에 의한 원심력으로 적도 부근이 부풀기 때문에 정확한 구가 되지는 못합니다.) 사실 중성자들은 확률적으로 양성자와 전자 즉 수소로 붕괴되며 이 수소가 중성자성 밖으로 분출되는 것이 관측되기도 했습니다.

블랙홀(Black hole)
블랙홀은 위에서 이야기한대로 생성방식은 거의 백색왜성이나 중성자성과 비슷한데, 그 질량이 거대하기 때문에 물질이 중력에 대항하여 지탱되지 못하고 한 점으로 뭉쳐서 우리가 물리학적으로 설명할 수 없는 상태가 된 천체를 말합니다.

다른 천체들이 중력에 반발하는 원리는 백색왜성은 전자들의 축퇴압에 의해 지탱되고, 중성자성은 중성자들끼리의 반발력(핵력)에 의해 지탱됩니다. 이론적으로는 외부에서 물질이 유입될 때 백색왜성은 중성자성으로, 중성자성은 블랙홀로 변환될 수 있습니다.

펄서(Pulsar)

펄서 개략도 (출처 : innumerable worlds)
밤하늘에서 주기적으로 반짝이는 전파원(펄서, pulsar)을 놓고 한 때는 외계인이 보내는 신호라고 주장하는 사람들이 있었는데, 실제로는 중성자성의 자기적인 극쪽으로 뿜어져 나오는 전자기파가 우연히 지구쪽을 향할때마다 그것이 관측되는 것이라고 판명됐습니다. 중성자성의 회전축과 자기축이 일치하지 않기 때문에 한 번 회전할 때마다 자기축이 지구를 한 번 향하는 것입니다.(아직은 추측에 머물고 있습니다.) 비교적 정확히 관측되고 있는 어떤 펄서의 경우 우리 인간이 처음 관측했을 때보다 회전속도가 점차 느리게 변해가는 것이
관측되기도 했습니다. (일초에 수~수십번씩 회전하므로, 주변의 천체의 중력에 의한 영향력이 매우 커서 회전속도가 느려지는 것도
쉽게 관측됩니다. 물론 때로는 빨라지는 경우도 있습니다. 온도가 낮아지면 중력에 의해 수축하게 되고, 그러면 각운동량 보존을 위해 회전속도가 빨라지는 것으로 생각됩니다.)

퀘이사(Quasar)

펄서와 같은 현상이 먼 우주에서도 관측되는데 퀘이사(Quasar)라고 불리는 천체입니다. 퀘이사는 먼 우주의 은하핵인 블랙홀이라고 믿어지고 있습니다. 아직 정확한 내용은 밝혀지지 않고 있답니다.

각 은하의 한 중심부에는 블랙홀이 있다고 믿어지고 있는데, 이는 은하 중심부 별들이 은하 중심의 어떤 한 점을 촛점으로 타원운동하는 것을 관측해보면 타원촛점에 엄청나게 큰 질량의 물체가 있음을 유추할 수 있기때문입니다. 보통 태양의 수억~수십억 배 정도 질량의 블랙홀이 있다고 예상되고 있으며, 처음에는 추측만 되고 있다가 최근에는 비로소 은하 중심부를 x선으로 관측되면서 점차 은하 중심부의 모습을 확인해가고 있습니다. 우리은하의 중심부에는 거대한 세 팔이 중심부의 어떤 보이지 않는 거대한 천체로 빨려들어가고 있다고 믿어지는 장면이 관측되었고, 그 중심부에 블랙홀이 있을 것으로 생각되고 있습니다. 또한 1초에 태양 몇 개의 질량이 중심부로 사라진다는군요.^^ 우리은하 중심부에 있는 은하의 질량은 태양의 300만 배 정도로서 은하의 규모에 비하면 매우 가벼운 편입니다.

은하가 막 형성되었을 때는 은하핵 블랙홀에 흘러드는 물질의 양이 많았기 때문에 블랙홀의 제트(Jet)나 전자기파 형태의 에너지흐름이 방출되는 양도 막대했고, 여기서 방출되는 에너지흐름을 우리가 퀘이사로 관측하고 있는 것입니다.

백조좌 X-1

백조좌의 X-1은 유명한 X선원으로써 밤 하늘의 가장 밝은 x선원중 하나입니다. 다른 강한 x선원은 우리은하 중심입니다. 그래서 백조좌의 X-1이 한 때는 우리은하 중심이 아닌가 생각된 적도 있습니다. 공교롭게도 백조좌의 X-1위치와 우리은하 중심 모두 은하수가 가장 두텁고 밝은 곳이기도 합니다.
X-1을 가시광선 영역으로 관측해 보면 태양보다 수십배 큰 질량의 적색거성이 관측되는데, 그 모습이 마치 지그재그로 돌면서 춤을 추는 것처럼 보입니다. 그 별의 움직임 중심에 태양 질량의 수십 배의 블랙홀이 있다고 믿어지고 있습니다. 아마도 먼 과거에는 백조좌의 X-1에는 두 개의 거대한 별이 연성계를 형성하고 있었을 것으로 생각됩니다. 이 연성계는 연성계의 진화과정을 거쳐 오늘날의 블랙홀과 적색거성이 된 것으로 보입니다.

백조좌 X-1은 대략 이런 모습일 것이다. (출처 :NIF)

시간이 더 지나면 지금 적색거성인 작은 별도 더이상 에너지를 생산할 수 없게 될텐데, 그런 상태에서도 초신성폭발을 일으킬 수 있는 질량이 남아있지 않게 되어 큰 별과 마찬가지로 블랙홀로 바뀔 것으로 생각되고 있습니다. (두 개의 블랙홀이 돌고 있는 상태가 될듯…)


여기부터는 다른 관점에서 블랙홀을 살펴보도록 하겠습니다.

양자요동(quantum fluctuation)과 호킹복사(Hawking radiation)
블랙홀도 에너지를 발산한다는 아이디어를 호킹이 제안합니다. 그래서 우리는 이를 호킹복사라고 합니다. 최초의 이론적 추측과 계산을 호킹이 전부 했습니다. 호킹은 뤼게릭병에 걸려 움직일 수 없는 상태에서 종이에 계산을 하지 못해 보통 전문가들도 힘들어하는 계산을 암산으로 다 해냈다고 합니다. 공부하신 분들은 아시겠지만 양자역학 계산은 간단하다 해도 장난이 아니죠..^^
호킹복사의 배경에는 공간의 양자요동 현상이 있습니다. 즉 아무것도 없어보이는 공간에서도 사실은 쉴 새 없이 입자-반입자가 생성됐다가 소멸하는 과정을 반복한다는 것입니다. 이 생성-소멸의 시간과 범위는 플랑크 크기 이하의 아주 작은 것이어서 우리가 알 수는 없는 것이지만…..(리차드 파인만의 계산에 의하면 중력이나 전자기력의 힘이 전달될 때 거리 제곱에 반비례한 특성은 공간의 양자요동때문에 나타난다고 합니다. 물론 모양은 다르지만 다른 힘의 특성이 나타나는 것도 마찬가지…)
이 양자요동이 블랙홀 주변에서도 나타나는데, 중력이 강한 블랙홀 주변에서는 간혹 이 양자요동으로 생긴 두 입자-반입자가 하나로 함쳐져 소멸하는 것이 아니라 분리되 된다는 것입니다. 이 두 입자의 반응은 확률적인 것인데, 확률계산을 통해서 호킹이 반입자가 블랙홀 안으로 들어갈 수 있는 확률이 더 높다는 것을 계산해냈습니다. 반입자가 블랙홀 안에 더 많이 들어간다면 블랙홀의 질량이 점차 줄어서 블랙홀이 점차 작아지게 됩니다..(반입자가 들어가면 질량이 줄어들잖아요..^^) 호킹복사에 대해서는 따로 공부해야 할만큼 내용이 어려우므로 여기서 설명을 마칩니다.
관측기술이 훨씬 더 발전하게 된 미래에는 블랙홀도 관측이 가능하리라고 여겨집니다. 그래서 요즘은 블랙홀을 설명할때 “검다”고 하지 않고 “거의 검다”라고 표현을 합니다.^^

블랙홀의 종류
블랙홀에도 여러 종류가 있습니다. 그 중에서 가장 중요한 개념은 닫힌 블랙홀과 열린 블랙홀 개념입니다. 닫힌 블랙홀은 별이 폭발하면서 생기는 그런 류의 블랙홀로서 물질은 블랙홀 내부에 그대로 차곡차곡 쌓여만 갑니다. 반대로 열린 블랙홀은 어딘가 다른 우주로 물질들이 빠져나가 새로운 아기우주를 구성하는 그런 입구를 말합니다. 열린 블랙홀은 우리 주변에서 관측되리라고는 생각되지 않습니다. 우주 초기에는 있었을지 모른다고 추측만 될뿐…^^

어찌됐건간에 블랙홀이나 화이트 홀 등등은 직접 관측이 될 수도 없을뿐더러 그 배경이 되는 성대성이론이나 양자역학이 아직 불완전하기 때문에 현재까지의 이론적 추측도 최선의 추측일 뿐 정확한 것은 하나도 없습니다.
호킹의 이론들이 상대성이론에서 벗어나는 것은 당연한 것이구요…(우주론을 설명할 때는 거시물리학(크게 보는 물리학이란 뜻)을 보통 사용하고, 그 기본은 상대론인데, 호킹의 이론은 작은 규모의 현상을 다루는 양자역학에 많이 의존합니다. 당연히 상대론과는 충돌이 있을 수 밖에 없습니다. 이는 상대성이론과 양자역학 모두 아직은 진짜 이론의 근사값에 지나지 않기 때문이 아닐까 생각됩니다.)

ps.
블랙홀 하면 나오는 이야기가 중력파인데, 이는 중력도 일반적인 전자기력이나 핵력들과 마찬가지로 이론적으론 파동을 생성할
수 있는데, 그 파동은 매우 미약하기 때문에 일반적으로는 관측이 불가능하고, 큰 중력파는 블랙홀끼리의 충돌 때에나 발생되기
때문에 지구의 과학자들은 중력파 검출장치를 지구 여기저기에 설치해 놓고, 어디선가 블랙홀들끼리 충돌하기를 기다리고 있답니다. ^^

6 thoughts on “블랙홀 2

  1. 오! 천체에 관심이 부쩍 높아가는 저희 큰아들에게 보여주면 좋을 글이군요.

    1. 좋아하시는 아들분이 계신다면… 전공책이라도 구매해주시는 것이 어떠실지? ^^

  2. 다음 시리즈로 LHC에서 만들어진다는 초미니 블랙홀에 대해서도 써주시면 재밌을 것 같습니다. ㅋㅋ

    1. 그럴 수 있을지 모르겠지만, 나중에 짧게 작성하는 것을 고려해 볼께요. ^^

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