천문학에서의 블랙홀에 대하여 - (3)

목차

1. 블랙홀 내부에는 뭐가 있을까?

2. 블랙홀의 발견과정과 연구에 대하여

 

 

 

 

 

1. 블랙홀 내부에는 뭐가 있을까?

일단 블랙홀은 이론적으로 무한한 중력이 한 점에 작용하는 천체라고 알려져 있다. 그렇다면 블랙홀에 빨려 들어간다면 블랙홀 내부에서는 어떤 상황이 벌어지게 되는 것일까. 블랙홀의 빛조차 빨려 들어가면 탈출할 수 없다고 하는데 과연 블랙홀 내부에 들어갔을 때 어떤 일이 벌어질지 알아보려 한다. 지구에서 자유낙하는 물체는 소위 무중력 상태가 된다. 만일 블랙홀 내부로 빨려 들어가고 있다면 그것의 무게는 제로가 될 것이다. 만일 사람이 이 블랙홀의 특이점 가까이게 다가가게 된다면 몸의 각 부위별로 작용하는 중력이 달라지게 되어 결국 몸이 산산조각 날 것이다. 이것은 단지 중력 때문이 아니라 중력의 차에 의한 것이다. 블랙홀 내부에서는 국수면발처럼 늘어나버리게 되고 결국 사람이 들어가게 되면 원자 하나 정도의 크기의 기다란 플라스마 형태로 변해버릴 것이다. 아주 크기가 작은 미생물 같은 생명체가 블랙홀의 특이점으로 접근하게 된다면 살아있을 시간이 좀 더 길어지게 된다. 만일 질량이 지구 정도인 블랙홀이면 세포가 바로 죽어버린다. 하지만 퀘이사 중심에 있는 태양의 10억 배 이상의 초거대 질량의 블랙홀이라면 사건의 지평선을 통과하고 나서도 사람이 대략 20분 여분 정도는 살아있을 것이다. 그러나 만일 태양의 수천조 배 질량을 가진 블랙홀이 있다면 앞에서와 같이 사건의 지평선을 통과하고서도 사람은 아주 오랜 시간 동안 살아있을 수 있다. 이렇게 되는 이유는 사건의 지평선이 블랙홀의 질량에 비례하지만 그것의 중력은 거리 제곱에 반비례하기 때문에 블랙홀의 질량이 아주 큰 경우에는 사건의 지평선으로 들어간다 하더라도 한참을 생존할 수가 있는 것이다. 

 

2. 블랙홀의 발견과정과 연구에 대하여

블랙홀의 존재여부는 이미 뉴튼이 중력에 대한 법칙을 발표할때부터 예견되어 왔다. 과학자들은 중력이 아주 커졌을 때에 물리법칙이 어떤 식으로 작용하는지에 대해서 이미 많은 토론을 거쳐왔고 이것은 뉴튼을 포함하여 광입자설을 믿고 있는 과학자들에게 빛마저도 중력에서 벗어날 수 없다는 개념으로 자리 잡게 되었다. 영국의 천문학자인 존 미첼이 1783년에 뉴튼의 이론을 바탕으로 하여 탈출속도가 빛보다 빠른 천체의 존재를 예측하였다. 그 당시만 해도 빛도 빠져나오지 못하는 이러한 천체를 다크스타 즉 어두운 별이라는 이름으로 불리어졌다. 그러나 19세기에 접어들면서 제임스 클락크 막스웰의 빛 파동설이 대세가 되자 이러한 천체에 대한 얘기는 잊히게 되었다. 1905년에 아인쉬타인은 빛 또한 광양자의 특성도 가지고 있음을 밝혀내었다. 그리고 1915년에 아인쉬타인이 일반상대성이론을 발표하면서 중력을 다시 해석함으로 인해 물리학계는 일대 전환이 일어나게 된다. 그렇지만 아인쉬타인은 역시 고전역학에 치중한 나머지 자신의 이론 안에 내재되어 있던 양자역학을 인정할 수가 없었다. 칼슈바르츠실트라는 과학자가 일반 상대성 이론에서 수바르츠실트해와 더불어 블랙홀의 존재를 도출해 내는 데 성공하였지만 아인쉬타인은 이마저도 수학적으론 흥미롭지만 물리적으론 실재하지 않는다고 하였다. 1930년대에는 수브라마니안 찬드라세카르라는 인도의 영국 유학생이 백색왜성과 중성자별을 예측하였고 그때서야 다시 블랙홀이 거론되기 시작하였다. 그러나 그때까지도 소위 특이점이라는 것을 받아들이지 않았던 물리학계에서는 이러한 그의 의견을 무시하였다. 그리고 1939년에 로버트 오펜하이머에 의해 중성자별의 다음 단계로 중력 붕괴 현상을 일으키는 천체에 대한 연구를 시작하였으나 그가 맨해튼 프로젝트로 빠지면서 잊히게 되었다. 그 이후에 존휠러라는 물리학자는 특이점을 내포하고 있는 블랙홀의 특성을 잘 표현하기에 다크스타라는 표현은 부적절하다며 블랙홀이라는 명칭을 붙이자고 제안하였다. 그 이후에 블랙홀에 대한 연구는 지지부진하였는데 1960 ~ 70년대에 들어서면서 큰 발전이 있게 된다. 1972년에 베켄스타인이 블랙홀에도 열역학 제2법칙이 적용될 수 있다는 것을 수학적으로 증명하였고 그것은 블랙홀의 열역학으로 만들어지게 되었다. 이로부터 새롭게 결론을 만들어 낸 것이 블랙홀도 증발할 수 있다는 스티븐호킹의 호킹 복사 이론이다. 천체 관측에서 블랙홀로 처음 증명된 최초의 천체는 백조자리 x-1이다. 이 블랙홀은 백조자리의 목 부분의 에타 별 근처에 자리 잡고 있다. 이것이 블랙홀인지 아닌지에 대해서 스티븐호킹과 킵손이 내기를 하였는데 블랙홀이라고 주장한 킵손이 승리하게 됐다는 일화도 있다. 2019년에는 Event Horizon Telescope 팀에서 인류 최초로 실제 촬영한 M87 중심의 블랙홀 사진을 공개하였다. 이 사진에서 블랙홀 주변에서 나온 빛들이 블랙홀 주위를 둘러싸고 있는 고리모양을 하고 있다. 이 블랙홀이 알려진 정보로는 태양 질량의 대략 65배 정도이며 지름은 약 380억 km로 추정되어진다. 이 사진은 인류 역사상 최초로 블랙홀을 실제 사진으로 찍었다는 데 의미가 있으며 블랙홀 연구에 큰 기여를 할 것이다. 기존에는 전파망원경을 통하여 블랙홀의 존재 여부를 확인하였지만 블랙홀의 실사 사진을 얻을 수는 없었다. 이와 같은 블랙홀의 촬영은 전 세계에 퍼져있는 전파 망원경 8개를 동원하여 찍은 것이라고 한다. 이 전파 망원경들은 칠레 아타카마 사막 그리고 미국 애리조나, 하와이, 멕시코, 남극, 스페인에 있는 전파망원경과의 협업에 의한 것이었다. 이렇게 전 세계에 퍼져 있는 망원경을 동원한 이유는 이런 식으로 전 세계 퍼져 있는 망원경에서 관찰한 데이터를 잘 조합하면 지구만 한 크기의 망원경과 같은 효과를 얻을 수 있기 때문이었다.