아인슈타인 로젠다리- 블랙홀

아인슈타인 로젠 다리- 블랙홀

중력에 의해 빛이 굴절하는 현상이며 알베르트 아인슈타인의 일반 산대성 이론에 의해 예측되었고 아서 스탠리 에딩턴에 의해 처음으로 관측되면서 일반 상대성이론의 강력한 증거가 되었습니다. 블랙홀은 표면적이 0인 점으로 무한히 수축하는 천체를 말하며, 자신을 중심으로 사건의 지평선을 형성하다 보니 암흑의 구체로 보여서 블랙홀이라는 이름이 붙었습니다. 블랙홀의 형성 과정에 대해서 알아보겠습니다.

1. 블랙홀의 생성과정

1-1 항성

항성은 막대한 질량을 가지고 있는 천체이기 때문에 늘 중력에 의해 전문학적인 압력으로 쥐어짜여지고 있습니다. 이 거대한 힘을 통해 항성은 내부에서 핵융합 반응을 일으키며, 이때 핵융합으로 발생하는 막대한 에너지가 중력에 저항해 반대로 항성을 팽창시키기 때문에 항성은 중력의 쥐어 짜이는 힘에 의해 붕괴되지 않습니다. 

1-2 적색거성

항성은 일생의 대부분의 기간 동안 수소를 핵융합 반응의 주 연료로 소모하는데, 이과정에서 그 산물인 헬륨이 계속해서 발생하게 됩니다. 헬륨 핵융합을 일으키기 위한 온도와 압력은 수소보다 훨씬 더 높기 때문에 항성은 당장 소모가 불가능한 이 헬륨을 중심부에 쌓아두게 됩니다. 핵융합에 참여하지 않는 헬륨의 비중이 증가하면서 항성은 수축하여 더 큰 압력을 받게 되고 이 과정에서 항성의 중심이 아닌 곳에서도 수소 핵융합 반응이 일어날 조건을 만족하게 됩니다. 수소핵 융합이 별의 중심부가 아닌 주변부에서 이루어지게 되면서 항성은 점차 부풀게 됩니다.

1-3 블랙홀은 질량이 매우 큰 별의 진화 마지막 단계

별의 진화 과정에서 작은 별은 마지막에 '백색왜성'이라는 최후 진화 단계를 거치지만, 태양보다 8배 이상 무거운 별은 '적색 초거성'이 되며, 초신성 폭발을 일으켜 '중성자별'로 남습니다. 폭발 과정에서 많은 먼지를 우주에 뿌리며 여기서 다시 새로운 별이 탄생합니다. 중서 자별은 밀도가 물의 1천14배에 이르며, 이 중 밀도가 무한대에 가까운 것을 '블랙홀'이라고 합니다. 이러한 별들은 '특이점'이라고 하는 부피가 0이고 밀도가 무한대인 한 점으로 압축됩니다. 특이점은 블랙홀의 중심을 이루고 있으며 '사건의 지평선'이라는 블랙홀의 표면으로 가려져 있습니다. '사건의 지평선' 안에서는 탈출 속도가 빛의 속도보다 커서 빛조차 우주공간으로 벗어날 수 없습니다.

1-4  원시 블랙홀

원시 블랙홀은 별의 마지막 단계에서 생긴 블랙홀 외에 약 150억 년 전 우주가 대폭발에 의해서 창조될 때 물질이 크고 작은 덩어리로 뭉쳐져서 블랙홀이 무수히 생겨난 것입니다. 이 원시 블랙홀은 물질이 자체 중력으로 붕괴해 블랙홀이 되기에는 질량이 모자라지만, 우주 탄생 초기에 우주 전체의 압력이 매우 커서 높은 밀도로 압축돼 많이 탄생한 것으로 믿어지고 있습니다.

2. 블랙홀 관측 방법

EHT연구진은 6개 대륙에 위치한 8개 망원경을 연결해 지구로부터 5500만 광년 떨어진 거대 은하 M87중심에 위치한 블랙홀을 관측했습니다. 연구진은 2017년 4월 5일~ 14일 동안 6개 대륙 8 망원경으로 블랙홀에서 나오는 1.3mm 파장대 전파를 동시에 관측하고 분석하는 방식을 활용해 정밀도를 극대화했습니다. 연구진에 따르면 사실상 지구 크기의 전파망원경을 사용한 셈이며, 그 정밀도는 파리의 카페에 앉아 뉴욕의 신문을 읽을 수 있는 정도입니다. 각 전파망원경이 관측한 영상은 미국 매사추세츠공대와 독일 막스플랑크 전파천문학 연구소의 슈퍼 컴퓨터를 거쳐 영상으로 변환되었습니다.

3. 화이트홀 - 웜홀

상대성 이론에서는 블랙홀처럼 끌어들이기만 하는 세계가 있으면 반드시 물질이 그 내부로는 절대 들어갈 수 없는 내뿜기만 하는 세계인 '화이트홀'이 존재한다고 합니다. 그러나 화이트홀이 어떻게 형성되는가 하는 메커니즘에 대해서는 전혀 밝혀진 바가 없습니다. 블랙홀의 명명자 휠러는 블랙홀과 화이트홀의 사건의 지평면 내부를 잘라내고 그 나머지를 연결시키면 어떻게 되는가를 생각했습니다. 이렇게 하면, 블랙홀에 흡입된 물질은 화이트홀에서 방출됩니다. 이때 블랙홀의 흡입구가 있는 세계와 화이트홀의 방출구가 있는 세계는 전혀 다른 세계입니다. 이 두 세계를 연결하는 통로를 휠러는 '웜홀'이라 명명하였습니다.