천문학에서의 블랙홀에 대하여 - (2)

목차

1. 블랙홀 탄생의 전초전 중성자별의 충돌현상과 초거대 질량 블랙홀

2. 블랙홀의 마지막 단계

 

 

 

 

 

1. 블랙홀 탄생의 전초전 중성자별의 충돌현상과 초거대 질량 블랙홀

일반적으로 블랙홀은 중성자별들의 충돌로 인해 탄생하는 것으로도 알려져 있다. 이렇듯 질량이 매우 큰 중성자별 2개가 충돌을 일으키게 되면 초신성과 비슷하긴 하지만 앞서 설명한 킬로노바의 현상이 발생되며 이 현상의 최후에는 아주 큰 블랙홀이 만들어지는 단계가 된다. 초거대 질량을 내포한 블랙홀의 경우에는 항성의 질량을 가진 블랙홀과는 생성과정이 다소 다를것으로 추측이 되는데 그것은 우주가 탄생한지 얼마되지 않은 시점에서도 태양 질량의 약 10에서 100억 배 정도 되는 블랙홀들을 포함한 퀘이사들이 여전히 발견되고 있기 때문이다. 항성의 질량을 내포한 블랙홀의 성장 속도로는 이런 블랙홀들이 우주 초창기에 형성되었다고 보기 힘들며, 이러한 초거대 질량을 가진 블랙홀의 근원을 설명하기 위해서 다양한 이론들이 제시되어 있다. 블랙홀의 특징중 하나로서 블랙홀은 그 질량에 비례해서 블랙홀의 성장속도가 제한이 된다. 이것을 소위 에딩턴 한계라고 일컫어 지는데 100만년에 블랙홀 자신의 질량의 2% 정도로서 이 속도를 유지한다면 자신의 질랴의 10배 가까이 성장하기 위해서는 최소한 1억2천만년 정도가 걸릴거라 추측하고 있다. 이렇듯 블랙홀의 제한된 성장 속도가 정해지는 이유는 블랙홀로 유입되는 가스가 많으면 많을수록 훨씬 더 많은 위치 에너지가 복사 에너지로 변환되면서 그 복사압으로 인해서 주변 가스가 밖으로 밀려나가기 때문이다. 따라서 이러한 복사압에 의해서 블랙홀로 유입되는 가스의 양이 제한되게 되어 있다. 그리고 블랙홀 주변에도 지속적으로 항성들이 탄생하게 되어서 초신성 이나 항성풍으로 인해 주변의 가스들을 분출시켜 버리기 때문에 실제로는 그 한계치를 유지하면서 성장하는것도 논리에 맞지 않는 것이다. 보통 별의 마지막 단계에서 만들어지는 우리가 알고 있는 일반적인 블랙홀은 아무리 크다고 해도 태양 질량의 100배 정도인데 이러한 블랙홀이 탄생할수 있는 시기의 최초 별이 탄생되었을 무렵인 빅뱅이후 1억년 정도로 추정하고 있다. 하지만 빅뱅이후의 10억년이 지난후에라도 블랙홀의 질량은 태양 질량의 100배에도 미치지 못한다. 이러한 현상들에 대해서 여러가지로 설명하려는 노력들이 있었으나 결국 별의 마지막 단계에서 만들어지는 더 큰 블랙홀들이 초창기 우주에서 탄생했다는 이론이 가장 설득력을 얻고 있다. 따라서 이러한 블랙홀이 항성의 단계를 건너띄고 자신이 가진 가스 자체 붕괴로 인해 애초부터 우리 태양의 수만배 이상의 질량을 가지고 있는 초거대 블랙홀이 탄생될수 있는가에 대한 여러 의견들이 있었고 아직까지 이것을 설명하기 위해 아주 다양한 이론들이 존재하고 있다. 일반적인 환경 내에서는 가스가 수축할시에 아주 빠르게 식으면서 성운 내의 가스가 여러개의 작은 덩어리로 쪼개지는 파편화현상이 일어나기 마련이다. 이것으로 인해 태양의 수만배 질량을 가진 가스가 수축을 해도 하나로 합쳐지지 못하고 산개 성단과 같이 여러개의 항성들을 만들어 낸다. 그렇지만 빅뱅 초기에서 처럼 중원소가 아주 작은 환경에서는 가스 복사 냉각의 효율이 떨어지면서 이런 파편화 현상이 잘 일어나지를 않기 때문에 아주 거대한 하나의 천체 또는 블랙홀이 한번에 만들어지게 되는 것이다.

 

2. 블랙홀의 마지막 단계

사람의 일생처럼 블랙홀도 탄생이 있으면 죽음이 있기 마련이다. 이 블랙홀의 죽음은 호킹 복사를 통하여 입자를 지속적으로 방출하다가 결국 질량이 줄어들면서 사라질 것으로 추측하고 있다. 블랙홀은 시간이 지나면서 질량을 지속적을 잃게 되는데 블랙홀은 이런 과정에서 조금씩 밝아지며 마지막단계에서는 창백한 빛을 내면서 고 에너지 감마선 및 소립자들을 방출한다. 그리고 최종적으로 감마선 폭팔로 일컫어지는 격렬한 감마선 방출을 끝으로 소멸되어 버린다. 하지만 이렇게 일반적으로 알려진 블랙홀들이 이런 상황이 되려면 아주 오랜시간이 걸린다. 블랙홀의 수명은 그 블랙홀이 가지고 있는 질량에 비례하며 현재까지 발견된 블랙홀들은 태양 질량 이상이었으므로 소멸되는데는 엄청 시간이 오래 걸린다. 그리고 블랙홀의 소멸로 인하여 발생되는 감마선 방출의 규모는 그렇게 크지 않아서 발견해내기가 어려우며 아직까지 관측된 사례가 없다. 거기다가 현재의 우주에서는 우주배경복사로 불리는 전자기파가 존재하는데 태양 질량 정도의 블랙홀에서 방출하는 열복사 에너지는 대략 100나노켈빈 정도 이므로 블랙홀이 소멸하는 에너지보다도 받아들이는 에너지가 훨씬 많다. 더우기 블랙홀 열복사 에너지는 블랙홀 질량이 크면 클수록 작아지기 때문에 현재의 시점에서 태양보다도 무거운 블랙홀들은 배경복사로만으로도 질량이 더 늘어나고 있다. 따라서 이러한 항성 질량 이상 급의 블랙홀들이 호킹복사 방출을 통하여 질량을 소실하는 시기는 우주가 더많이 팽창되어 온도가 더 낮아지는 미래에나 가능한 일이 될것이다. 그런 이유로 인해 블랙홀들은 보통 다른 별들과는 다르게 오랜동안 우주에 계속 남아있을 것으로 추측된다. 아마도 지금 존재하는 별들과 새로이 탄생하는 별들 모두가 소멸되고 난 뒤에도 마지막에는 블랙홀들만 존재하는 우주가 남게될 가능성이 크다. 이것은 블랙홀이 자신이 가진 특정부피 내에서 최대의 엔트로피를 가질수 있는 형태이기 때문에 가능한 일일 것이다. 이러한 블랙홀들은 서로 주위를 공전하다가 중력파 형태로 에너지를 계속 방출하다가 서서히 가까워지고 결국 합쳐질 것이다. 그리고 그 이후에는 국부 은하군 전체가 모두 합쳐지면서 거대한 블랙홀이 형성이 될 것이다. 하지만 이러한 블랙홀도 수많은 시간 뒤에는 결국 소멸될 것이고 아무것도 남지 않게 될 것이다.