블랙홀의 개념과 형성과정, 구조와 관측

블랙홀은 현재까지 우주에서 가장 신기하고 미스터리한 천체가 아닐까 합니다. 블랙홀이 가진 막대한 중력의 힘으로 모든 것을 빨아들인다는 것과 함께 여전히 미지의 영역으로 인식되고 있습니다. 이 글에서는 블랙홀의 기본 개념과 형성 과정 그리고 블랙홀의 구조와 관측 방법 마지막으로 블랙홀의 종말까지 알아보겠습니다.

 

블랙홀의 기본 개념

블랙홀이란 중력이 극도로 강한 천체를 말하며 강력한 중력으로 인해 빛조차 밖으로 빠져나오지 못합니다. 블랙홀의 특징 중 하나는 이 중력이 너무 강해서 어떤 물체라도 그것을 향해 빠져들 수 없게 만든다는 것입니다. 이것을 이해하는 데에는 일반상대성이론이 중요한데, 이론은 질량이 매우 큰 물체가 주는 중력이 광속 이상으로 빠른 속도로 물체를 빠르게 끌어당길 수 있다고 설명합니다.

블랙홀의 형성 과정

블랙홀이 만들어지는 과정의 대부분은 대량의 별 폭발로 인한 결과라 할 수 있습니다. 별이 폭발함에 따라 그 질량이 중심으로 균형을 잃으며 중력이 매우 강해져 빛까지 빨려 들어가게 되는 것입니다. 이렇게 형성된 블랙홀에는 이론적으로 사건의 지평이라 불리는 경계를 갖게 되는데 중력이 무한대로 강해져 모든 것들을 휘감고 들어가는 것을 말합니다.

블랙홀

블랙홀의 구조

1. 특이점

특이점은 블랙홀 중심의 구멍을 의미합니다. 일반 상대성이론에 따라 물질계가 광속에 근접하게 다가갈 수는 있어도 광속에 도달하는 것은 불가능합니다. 블랙홀은 매우 빠르게 회전하고 있고 그 크기를 어떤 방식으로 정의하냐에 따라 다를 수 있지만 회전하고 있다는 것은 변하지 않습니다. 그렇게 때문에 블랙홀의 내부에서는 광속을 초과하는 속도로 빠르게 회전하고 있다는 사실이 필연적입니다. 물리적으로만 보면 불가능하지만 회전하는 힘에 의해 블랙홀의 중심은 서서히 바깥쪽으로 넓어지며 구멍처럼 보이게 됩니다. 이를 우리는 특이점, 특이링이라 부릅니다.

2. 사건의 지평선

사건의 지평선 또는 Event horison은 일반 상대성 이론으로부터 예측된 개념인데, 내부에서 일어난 사건이 외부에 아무런 영향도 미치지 않게 하는 경계면을 뜻합니다. 지평선 안에서 발생하는 사건에 대해서 지평선 밖에서 어떠한 것도 알 수 없다는 이유로 이러한 명칭이 붙게 되었습니다.

 

3. 에르고 영역

에르고 영역 혹은 영어를 그대로 에르고 스피어라고도 부르는 이 영역은 블랙홀 외부의 위치를 뜻합니다. 블랙홀에서는 에너지가 생성되는데 이를 이론적으로 펜로즈 과정이라 부릅니다. 에르고 영역은 블랙홀의 자적으로 인해 발생합니다. 

 

4. 제트

제트는 블랙홀을 중심으로 두고 양 방향으로 발사되는 강력한 가스의 방향을 말하고 그 속도는 거의 빛의 속도와 가깝습니다. 어떤 물질이 유입되고 있을 때 이러한 현상이 관찰될 수 있다. 아직까지 제트가 형성되어 분출되는 과정이 완벽히 밝혀진 바는 없으나 블랙홀의 강착 원반과 긴밀한 연관이 있을 것으로 추측되고 있습니다. 가장 널리 알려진 이론에 따르면 블랙홀을 공전하던 강착 원반의 자기장으로 인해 꼬이게 되면 여기서 발생한 에너지가 양쪽 극단으로 분출되는 것이라고 보고 있습니다. 이때 가스들은 플라즈마의 상태로 최대 광속의 99%이상의 속도를 가집니다.

 

블랙홀을 관측하는 방법

블랙홀은 앞서 말한 바와 같이 빛마저도 통과하지 못하기 때문에 직접적으로 관측하는 것은 어렵습니다. 대신에 블랙홀 주위에 있는 물질이나 가스 등이 블랙홀로 떨어지면서 그때에 방출되는 X선과 라디오파 등을 감지하고 파악하여 블랙홀의 존재를 추정하는 것이 가능합니다. 

블랙홀의 종말

블랙홀 또한 수명을 갖고 있어, 결국에는 호킹 복사의 형태로 입자를 방출하다가 질량이 줄어 사라질 것으로 예측됩니다. 질량을 잃으면 점차 블랙홀 또한 밝아지게 되고, 거의 마지막이 되면 증발이 더 강하게 이루어져서 창백하게 빛을 내며 고에너지 감마선과 소립자를 방출할 것입니다. 그리고 마지막에는 감마선 폭발이라 말할 수 있을 정도의 강한 감마선을 방출하며 증발돼 소멸됩니다. 블랙홀의 수명은 그 질량에 비례하기 때문에 현재까지 발견된 블랙홀들이 모두 사라지는 데까지는 오랜 기간이 걸리기 때문에 태양계 근처에서 발생하지 않는다면 블랙홀의 종말을 발견하기는 어려울 것으로 추정됩니다.

 

블랙홀의 기본 개념과 구조는 물론 블랙홀의 종말까지 알아보았습니다. 미지의 영역으로만 생각했던 블랙홀이 과학 기술이 발전함에 따라 좀 더 많은 흥미로운 지식들을 발견할 수 있게 되기를 기대하겠습니다.