아인슈타인 - 블랙홀이란 무엇인가?

아인슈타인 - 블랙홀이란 무엇인가?

우주에서 가장 빠른 빛조차 빠져나가지 못할 정도로 중력이 강한 천체로 1915년 아인슈타인이 발표한 상대성이론에서 개념화되었습니다. 블랙홀은 중력이 강하고 어두우며 너무 멀리 있어 직접 관측된 사례가 없었습니다. 그러나 사건 지평선 망원경 연구진이 8개 대륙에 위치한 전파망원경을 통해 인류 최초로 블랙홀을 관측한 영상을 2019년 4월 공개하면서 모습을 드러냈습니다. 블랙홀은 어떤 특징을 가지고 있는지 알아보겠습니다.

1. 블랙홀의 특징

1-1 사건의 지평선이 구 모양

블랙홀은 그 이름에서 연상되는 2차원적 구멍과는 다르며, 블랙홀을 외부에서 관찰하면 중력 렌즈 효과에 의해 심하게 왜곡된 검은 구체의 형태로 보이게 될 것입니다. 이는 블랙홀의 영역 중 빛이 탈출할 수 없는 한계 지점인 사건의 지평선이 구 모양이기 때문입니다. 실제 블랙홀의 본체라고 할 수 있는 특이점은 일반적으로 외부에서 관측이 불가능합니다.

1-2 백색왜성과 중성자별 이상 높은 밀도

물질이 압축할 수 있는 한께까지 압축되면 만들어지는 초고밀도의 천체라고 알려져 있지만, 실제로는 다릅니다. 태양정도, 혹은 그 이하의 질량을 가진 블랙홀이 형성되려면 백색왜성과 중성자별 이상의 높은 밀도를 필요로 하지만, 태양 질량의 수십억 배 이상에 달하는 초대질량 블랙홀의 경우 지구 상의 일상적인 물체들 보다 낮은 밀도에서도 만들어질 수 있습니다.

1-3 가시광선으로 관측

퀘이사처럼 매우 거대한 블랙홀은 모든 파장에서 매우 밝게 빛나기 때문에 가시광선으로도 관측이 가능하지만, 그 외 일반적인 블랙홀들은 아직까지 X선 망원경을 제외하면 관측이 불가능합니다. 블랙홀로 평행한 빛이 쏘아진다고 할 때, 사건의 지평 선위로 쏘아진 빛이라도 결국 사건의 지평선 안으로 빨려 들어가기 때문에 사건의 지평선보다 상당히 위쪽으로 쏘아진 빛이 돌아 나와 관측자에게 가게 됩니다. 이러한 사건의 지평선 바깥쪽으로 빛이 탈출할 수 없는 공간의 범위는 슈바르츠실트 반지름의 2,6배입니다. 즉 우리가 보는 블랙홀의 그림자는 실제 블랙홀의 크기보다 큽니다.

1-4 사건의 지평선

사건의 지평선을 넘어가면 절대 탈출할 수 없습니다. 일반 상대성 이론에 따라 계산해 보면 시간과 공간의 성질이 뒤바뀌어 공간이 시간과 같은 방향성을 지니는 걸로 나타납니다. 일단 넘어가면 무조건 특이점으로 향하며 남은 건 빨리 가느냐, 늦게 가느냐의 차이입니다.

1-5 일반 상대성 이론

일반 상대성 이론에 의해 블랙홀에 가까이 가면 갈수록 시간은 점점 느려집니다. 단, 외부에서 남이 본 내 시간이 느려지는 거지, 블랙홀에 가까이 간 당사자가 느끼는 시간 감각은 똑같습니다. 상대성 이론의 키워드 중 하나 밖에서 보면 블랙홀에 가까워질수록 시간이 무한에 가깝게 확대되어 수천, 수만, 수억 년이 걸려서 빨려 들어가는 것처럼 보이지만. 빨려 들어가는 입장에서 느끼는 감각은 블랙홀에 휙 빨려 들어가는 것입니다. 빨려 들어가는 사람 입장에서 우주 밖을 본다면 우주의 종말을 초고속으로 볼 수 있습니다. 무한대의 사간을 압축해서 보기 때문입니다. 단지 주변에 가득 찬 빛 때문에 지펴선 외부에서 내부를 볼 수 없고, 내부에서 외부를 볼 수 없을 뿐입니다. 또한 발부터 빨려 들어간다면 발과 머리의 중력 차이로 인해 스파게티 효괄로 길게 쭈욱 늘어지면서 원자 단위로 분해되기 대문에 살아 있을 수가 없습니다. 이는 작은 블랙홀일수록 강하며, 큰 블랙홀일수록 더 오래 살아남을 수 있습니다.

1-6 시공간의 왜곡

블랙홀에 빨려 들어가는 것을 외부에서 보는 관찰자는 그 사람이 사건의 지평선을 넘는 것을 절대로 볼 수없습니다. 강한 중력 때문에 시공간이 왜곡되어 시간이 바깥에 비해 느리게 가기 때문입니다. 또한 사람에게서 반사된 빛이 관찰자에 도착하는 데 걸리는 시간이 중력에 의해 기하급수적으로 늘어나기 때문이기도 합니다. 사건의 지평선을 넘는 순간, 빛이 관찰자에게 도착하는 데 걸리는 시간은 이론적으로 무한대가 됩니다. 도플러 효과로 점점 빨갛게 변하다가 적외선 전파로 변해 보이지 않게 됩니다.

1-7 시간여행

블랙홀을 이용해 미래로 시간 여행을 할 수 있습니다. 상대성 이론에 다르면 중력과 가속도는 같기 때문입니다. 시간 지연 효과를 누리려면 광속에 가깝게 가속해야 하는데 이는 무리적으로 어려운 점이 많아 블랙홀 가까이서 여행하여 중력을 이요하는 것입니다. 블랙홀에 가까울수록 극적인 효과가 나타나게 되지만 너무 가깝게 접근했을 경우 스파게티 효과로 인해 찢어지거나 빨려 들어갈 수 있습니다. 또한 블랙홀이 너무 작으면 조석의 차이로 인해 블랙홀의 가까운 곳과 먼 곳이 사간 차이가 날 수 있습니다.