블랙홀

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Black Hole Milkyway.jpg

블랙홀(black hole)은 그 중심인 특이점중력장이 너무 커 그 경계인 사건의 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 사건의 지평선까지의 거리, 즉 블랙홀의 크기는 일반상대론으로 블랙홀의 존재를 처음으로 유도한 천체물리학자 카를 슈바르츠실트의 이름을 따 슈바르츠실트 반지름이라 부른다.

역사[편집]

뉴턴 역학[편집]

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[편집]

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.

호킹 복사[편집]

일반 상대성 이론으로 설명된 블랙홀의 개념에 양자역학을 고려하게 된다면 사건의 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.[1][2][3]

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

블랙홀의 생성[편집]

중력붕괴[편집]

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.

고 에너지 충돌[편집]

이론적으로 입자가속기 등을 이용해 인공적으로 블랙홀 생성이 가능하다. 이때문에 LHC 실험 당시 블랙홀로 인해 지구가 빨려들어갈지도 모른다는 우려를 하기도 했다.[4] 하지만 이때 양성자 충돌로 생겨나는 블랙홀은 매우 작아 10-25초동안만 존재하게 되어 사실상 지구에 영향을 주지 못한다.

블랙홀의 소멸[편집]

스티븐 호킹은 블랙홀 안에 들어간 모든 정보는 영원히 사라진다, 라는 이론을 뒤엎고 2004년, 블랙홀에 빨려 들어간 정보도 방출된다 라는 이론을 발표했다. 호킹의 이론에 따르면, 블랙홀의 사상의 지평선 근처에서는 불확정성 원리에 따라 입자-반입자가 쌍생성된다. 이때, 블랙홀의 중력에 의해 입자-반입자중 일부는 블랙홀 내부로 빨려 들어가게 되며, 상호 소멸의 영향을 받지 않은 다른 입자는 블랙홀 밖으로 튀어나오게 된다. 입자-반입자중, 반입자는 블랙홀을 탈출할만한 에너지가 존재하지 않지만, 입자는 블랙홀을 탈출할 에너지가 충분해 블랙홀밖으로 빠져 나오게 된다. 이때 나온 입자는 상대성 이론 에 의하여 질량이 존재하게 된다. 결국, 블랙홀은 이 과정을 무수히 반복하게 된다. 이 과정은 블랙홀이 작을 수록 빨라지며, 블랙홀은 점점 빛을 방출하다 우리 눈에는 폭발하면서 사라지는 것처럼 보인다.

검출[편집]

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.[5][6][7]

역사[편집]

기타사항[편집]

1960년대 러시아물리학자들은 블랙홀을 얼어붙은 별(frozen star)라고 불렀다.[출처 필요]

주석[편집]

  1. Stephen Hawking, 'Black Hole Explosions', Nature volume = 248, 1974, pp. 30 ~ 31
  2. Kirk T. McDonald, 'Hawking-Unruh Radiation and Radiation of a Uniformly Accelerated Charge', Princeton University, 1998, p. 1
  3. Stephen Hawking, 'The Nature of Space and Time', Princeton University Press, 2000, p. 44
  4. http://www.chosun.com/site/data/html_dir/2008/08/08/2008080800028.html
  5. NASA/Goddard Space Flight Center: "Gamma-rays from Black Holes and Neutron Stars"
  6. Max-Planck-Gesellschaft October 28, 2006, "Discovery Of Gamma Rays From The Edge Of A Black Hole"
  7. Milky Way Black Hole May Be a Colossal 'Particle Accelerator'

바깥 고리[편집]