천문학에서의 블랙홀에 대하여 - (1)

목차

1. 블랙홀이란

2. 블랙홀의 형성 과정

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 블랙홀이란

블랙홀은 우리에게 아주 친숙한 천체현상중의 하나이다. SF영화의 단골소재로 쓰일 만큼 대중적으로도 많이 알려져 있다. 하지만 블랙홀에 대해 좀 더 정확하게 설명하는 시간을 가져보려 한다. 일단 블랙홀은 이론상으론 표면적이 거의 제로에 가까운 점으로서 무한하게 수축하는 천체를 의미한다. 특이점을 기준으로하여 사건의 지평선이 펼쳐져 있고 빛조차 빠져나올수가 없는 어마어마한 중력으로 인해 검정색의 구체로 보여서 블랙홀 이라는 이름이 붙여지게 되었다. 

 

2. 블랙홀의 형성 과정

블랙홀의 형성은 최초에 태양과 같은 항성이 엄청난 질량을 가지고 있기 때문에 항상 중력에 의해서 압력을 받고 있다. 이러한 거대한 힘에 의해서 항성은 내부에서 핵융합 반응을 일으키며 이때 만들어지는 에너지는 중력에 반하여 항성을 팽창시키기에 항성은 중력에 의해 붕괴되지는 않는다. 항성은 수소를 핵융합의 에너지원으로 쓰게 되는 이것의 부산물로서 헬륨이 만들어지게 된다. 헬륨이 핵융합을 발생시키기 위해서는 온도와 압력이 수소보다 훨씬 높아야 되서 항성이 수소처럼 바로 쓸수 없는 헬륨은 내부에 쌓아놓게 된다. 핵융합에서 제외된 헬륨이 계속 쌓이다 보면 항성은 수축하게 되고 더더욱이 더 큰 압력을 받게 되는데 이 과정에서 항성의 중심부가 아닌 곳에서도 수소 핵융합 반응이 발생되게 된다. 이러한 수소 핵융합이 별 중심부가 아닌 주변에서 일어나게 되면서 항성은 점점 부피가 커지게 된다. 이러한 단계에 접어들때를 적색거성이라고 말한다. 결국에는 중심의 핵이 충분한 온도와 압력에 도달하게 되어서 그 다음 단계인 헬륨 핵융합의 단계로 들어가게 된다. 이러한 헬륨 핵융합이 시작된 이후에 항성은 안정을 되찾으면서 반지름과 빛의 광도가 줄어들게 되는데 이 단계에서 항성은 아주 많은 수소와는 달리 매우 양이 적어진 헬륨을 에너지로 태우고 있고 주계열성 보다 훨씬 빠른 에너지를 태우고 있기 때문에 얼마 지나지 않아서 중심에 있는 연료는 거의 다 사라지게 되어서 항성은 다시 부피가 부풀어 올라 점근거성의 단계에 진입하게 된다. 이에 따라서 항성의 외곽 부분의 밀도가 상대적으로 많이 낮아지게 되므로 그 질량을 항성풍의 형태로 아주 빠르게 주변 우주로 내보내게 된다. 태양과 같이 가벼운 항성들은 헬륨보다는 무거운 원소를 태울만한 충분한 압력과 에너지를 가질수 없기 때문에 이 단계를 마지막으로 행성상성운을 형성하고 난 이후에 백색왜성으로 되어서 항성의 생을 마감한다. 하지만 무거운 항성들은 중심핵에 아주 높은 압력과 온도를 가지고 있기 때문에 헬륨 핵융합 이후에도 탄소나 산소, 네온, 규소 등과 같은 훨씬 무거운 원소들로 구성된 재료를 이용해 핵융합을 한다. 이렇게 무거운 원소들을 만들어내다 결국 철이 만들어지게 되는데 이단계에 들어서면 항성의 핵융합은 한계에 다다르게 된다. 가벼운 원소들을 핵융합시킬때는 충분히 에너지를 만들어 낼수 있지만 철 같은 원소들은 가장 안정된 원소이기 때문에 철을 핵융합하기 위해서는 오히려 에너지가 필요하게 되었다. 그래서 핵융합이 일어나지도 못하고 계속 공간과 무게만 가지고 있는 철이 항성 중심부에서 점차 굳어져만 간다. 이러한 철들이 계속 내부에서 쌓여가면서 더이상 중력을 거스를수 있는 에너지를 충분히 생산할수 없는 상태에 이르면 항성 자체 중력에 의해서 서서히 수축하다 전차 축퇴압이라는것에 의존하게 되면서 수축을 멈추게된다. 파울리 베타 원리에 의하면 정해진 부피내에서 두 개 이상의 페르미온은 같은 양자 상태에 있을수가 없는데도 항성의 대부분의 입자 밀도를 차지하는 전자가 페르미온이라서 이 법칙에 영향을 받게 된다. 다시 말하면 아주 강한 중력에 의해서 원자가 압력을 받는다 하더라도 원자 내부의 전자들이 다른 원자의 전자들과 서로 반발력에 의해 밀어내게 되면서 중력의 붕괴에 저항하게 된다. 만약에 붕괴를 진행중인 항성이 그리 무겁지가 않다면 중력이 안정되게 되며 그러한 상태로 서서히 식어가게 된다. 이러한 상태가 된 천체를 백색왜성이라고 부른다. 우리 태양계의 우리 태양도 그리 무겁지 않은 천체에 속하기 때문에 태양의 마지막은 백색왜성이 될 것으로 생각되어 진다. 그렇지만 항성의 자체 질량이 너무나도 커서 중력이 전자 축퇴압을 압도하게 되면 항성은 계속 해서 수축하게되고 양성자가 전자와 합쳐지게 되면서 중성자로 바뀌게 된다. 이러한 중성자가 만들어지는 과정에서 항성의 중심부에 있는 철의 부피가 급격히 줄어들기 때문에 항성은 내파라고 부르는 순간적인 수축을 일으키게 되어서 이 충격으로 인해 초신성 폭팔이 일어나게 되고 중성자 덩어리로 변해버린 중심핵을 제외한 모든 부분이 폭팔에 의해서 우주로 날라가 버리게 된다. 이리하여 마지막에 남은 중성자 덩어리를 중성자 별이라고 부른다. 하지만 이라헌 중심핵의 질량이 중성자 축퇴압도 버티지 못해 버리게 무거워지면 그 어떤 힘으로도 중력의 붕괴를 막을 수가 없어지게 되는데 이때 항성은 한없이 쪼그라 들다가 결국에는 스스로의 사건의 지평선 내부로 빨려 들어가게 되어 블랙홀이 만들어지게 되는 것이다. 초신성이 폭팔한 직후에 중성자별이 되었다 하더라도 그 주변에 남은 물질들을 흡수해서 블랙홀이 되는 경우가 대부분이고 태양 질량의 50배 이상이 되는 거대한 별들의 경우에는 그 중심핵이 중성자별의 단계를 거치지 않고도 바로 블랙홀로 되는 경우도 있다. 이렇게 블랙홀이 붕괴되면서 극초신성이나 감마선의 폭팔로 이어지게 된다.