블랙홀

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블랙홀(black hole)은 그 중심인 특이점의 중력장이 너무 커 그 경계인 사건 지평선을 지나면 어느 것도 빠져나올 수 없는 시공간 영역을 의미한다. 어원은 영어로 "검은 구멍" 이라는 뜻으로 어느 것도 빠져 나오지 못해 검게 보일 것이라는 추측에서 비롯되었다.

특이점으로부터 사건 지평선까지의 거리, 즉 블랙홀의 크기는 일반 상대성 이론으로 블랙홀의 존재를 처음으로 유도한 천체물리학자 카를 슈바르츠실트의 이름을 따 슈바르츠실트 반지름이라 부른다.

역사

• 1783년 : 뉴턴 역학에 기반, 영국의 자연 철학자 존 미첼이 질량주변에서 빛이 휠 수 있고 중력이 너무 강해 빛이 탈출할 수 없는 천체의 개념을 제시. 13년 뒤 라플라스도 비슷한 제안을 함.
• 1915년 : 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표함
• 1916년 : 슈바르츠실트가 일반상대론으로 슈바르츠실트 특이점을 예측함
• 1930년 : 찬드라세카르가 찬드라세카르 한계를 발표함
• 1939년 : 러시아의 물리학자 츠바키가 고안한 개념을 바탕으로 로버트 오펜하이머, 볼코프, 레프 란다우에 의해 중성자성 개념이 등장함
• 1967년 : 안토니 휴이시와 조셀린 벨 버넬이 중성자성을 발견함
• 1967년 : 존 휠러가 슈바르츠실트 특이점 개념을 '블랙홀'로 작명함
• 1971년 : 백조자리 X-1이 블랙홀일 가능성이 있다는 증거가 발견됨
• 1974년 : 스티븐 호킹이 호킹 복사를 증명함

뉴턴 역학

18세기경, 중력이 너무 강해 빛마저 빠져나오지 못하는 물체의 개념이 제시되었으나 아주 강한 중력장의 경우 더 이상 자연을 정확히 기술하지 못하는 결점이 있었다.

일반 상대성 이론

아인슈타인은 일반 상대성 이론에서 중력을 구부려진 시공간이라고 간주했다. 질량을 가진 천체는 주변 시공간을 휘게 만든다는 이론이었다. 이 이론은 그 당시에만 해도 매우 이상한 생각이었기에, 과학자들은 의심의 눈초리를 보냈다. 그러나 1919년, 이 이론이 맞다는 것을 증명하기 위해 개기일식을 관측했고 그 결과는 실제로 태양 주변의 별들의 위치가 상대성이론이 예측하는 만큼 태양의 중력에 의해 별빛이 휜다는 것이었다. 1915년 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 발표했다. 이 이론의 해를 독일의 천문학자 슈바르츠실트가 계산하여 아인슈타인에게 편지를 보내게 되었다. 이 방정식에서 얻어진 슈바르츠실트의 해는 별의 주변에 형성된 시공간의 곡률을 보여주고 있었다. 하지만 슈바르츠실트의 해가 무한대가 나오는 부분이 있었고, 밀도가 무한대가 되어 결국 빛조차 빠져나올수 없는 무언가가 있었다. 이것이, 세상에 처음 등장한 '블랙홀' 이다.

1960년대 러시아의 물리학자들은 블랙홀을 얼어붙은 별(frozen star)라고 불렀으나, 이후 "검은 구멍"이라는 뜻의 블랙홀(영어: black hole)이라는 용어가 통용되고 있다.

성질

생성 과정

태양보다 대략 30배 이상 큰 항성의 경우, 소멸하기전 중심핵에서 핵융합 에너지의 생성이 중단되고 자체 중력을 이기지 못해 빠른 속도로 붕괴하며 결국 초신성 폭발로 이어진다. 초신성 폭발후 남은 잔해 (핵)의 질량이 자체 중력을 이기지 못할경우, 결국 계속해서 압축되며 중성자별이 생긴다. 하지만, 중성자별이 생길만한 자체 중력을 훨신 웃도는 경우 항성의 찌꺼기는 계속해서 압축되고 중력이 무한한 한 점으로 수축되어 블랙홀의 특이점이 생겨난다. 블랙홀이 생성되면 근처 시공간은 변형되고 빛은 영원한 적색편이 현상을 나타내 영원히 관측할 수 없다.

호킹 복사

 이 부분의 본문은 호킹 복사입니다.

일반 상대성 이론으로 설명된 블랙홀의 개념에 양자역학을 고려하게 된다면 사건 지평선 표면에서도 에너지가 외부로 복사(Radiation)될 수 있는데 이러한 현상을 호킹 복사라고 한다. 진공은 순간적으로 생겨났다 사라졌다 하는 가상 입자 쌍으로 들끓고 있다. 만약 이렇게 생겨난 가상 입자 쌍이 서로 만나 쌍소멸하기 전에 하나가 블랙홀 속으로 떨어지고 다른 하나는 탈출한다면, 순효과는 블랙홀에서 입자들이 꾸준히 방출되는 것으로 나타난다.

이론적으로 호킹 복사에 따르면 외부 물체와의 상호작용이 없어도 모든 블랙홀은 흑체와 같이 흑체복사를 하여 전자파를 발산하나, 아직 실험적으로 검증되지 않았다.

호킹 복사를 통해, 민코프스키 공간에 있는 모든 블랙홀은 결국 증발하여 없어지게 된다. 즉, 민코프스키 공간에서 모든 블랙홀은 불안정하며, 이들은 음의 열용량을 가진다. (다만, 반 더 시터르 공간에서는 충분히 큰 블랙홀은 안정할 수 있다. 또한, 만약 블랙홀 주변 환경의 온도가 블랙홀 자체의 온도와 일치하면, 열역학 평형을 이루게 되므로 블랙홀이 안정할 수 있다.)

실험

천문학적 관측

블랙홀은 여러 가지 방법으로 검출할 수 있으나 주로 블랙홀이 주위를 회전하는 별로부터 기체를 빨아들이면 그 과정에서 기체가 매우 가열되어 방출되는 X선을 검출한다. 이것을 지구에서 X선 망원경으로 포착할 수 있다.

입자 가속기를 통한 관측

이론적으로 입자가속기 등을 이용해 인공적으로 블랙홀 생성이 가능하다. 이때문에 LHC 실험 당시 블랙홀로 인해 지구가 빨려들어갈지도 모른다는 우려를 하기도 했다. 하지만 이때 양성자 충돌로 생겨나는 블랙홀은 매우 작아 10^25초동안만 존재하게 되어 사실상 지구에 영향을 주지 못한다.

• 
  블랙홀 상상도
• 
  은하계내의 블랙홀에 대한 예술가의 초상화
• 
  배경은하에의해 유발된 중력 렌즈 효과의 애니메이션
• 
  두 블랙홀의 병합
• 
  블랙홀은 은하 중심에서의 십자 형상이다.
• 
  블랙홀에서 착증선을 보이는 나사에의해 그려진 개념도

참고 문헌

• Creighton, Teviet; Richard H. Price (2008). “Black holes”. 《Scholarpedia》 3 (1): 4277. doi:10.4249/scholarpedia.4277. 
• Townsend, Paul K. (1997). “Black holes”. arXiv:gr-qc/9707012. Bibcode:1997gr.qc.....7012T. 
• Chruściel, Piotr T. (2002년 12월 3일). 〈Black holes〉. 《The conformal structure of space-time: geometry, analysis, numerics》. Lecture Notes in Physics 604. Springer. 61–102쪽. arXiv:gr-qc/0201053. Bibcode:2002LNP...604...61C. doi:10.1007/3-540-45818-2_3. ISBN 978-3-540-44280-6. ISSN 0075-8450. 
• Compère, Geoffrey (2006). “An introduction to the mechanics of black holes”. arXiv:gr-qc/0611129. Bibcode:2006gr.qc....11129C. 
• Landsberg, Greg (2002). “Black Holes at Future Colliders and Beyond: a Review”. arXiv:hep-ph/0211043. 

바깥 고리

• 네이버 캐스트 - 블랙홀, 인공의 블랙홀?, 검은 구멍-블랙홀
• Black Hole confirmed in Milky Wayretrieved Dec 10, 2008
• Yale University Video Lecture: Introduction to Black Holes at Google Video
• Black Holes: Gravity's Relentless Pull - Award-winning interactive multimedia Web site about the physics and astronomy of black holes from the Space Telescope Science Institute
• FAQ on black holes
• Schwarzschild Geometry on Andrew Hamilton’s website
• Tufts University: Student Project (Great Kid's Section)
• Movie of Black Hole Candidate from Max Planck Institute
• UT Brownsville Group Simulates Spinning Black-Hole Binaries
• Black Hole Research News on ScienceDaily
• Scientific American Magazine (July 2003 Issue) The Galactic Odd Couple - giant black holes and stellar baby booms
• Scientific American Magazine (May 2005 Issue) Quantum Black Holes
• SPACE.com All About Black Holes - News, Features and Interesting Original Videos
• Black Holes Intro - Introduction to Black Holes
• Advanced Mathematics of Black Hole Evaporation
• HowStuffWorks: How Black Holes Work - Easy to consume guide to Black Holes
• Ted Bunn's Black Holes FAQ explains in simple language some other consequences of the way in which black holes bend space-time.
• Is the Mass of Black Holes Limited? - The Future of Things article