우주에 대해서 알아보자! [세번째:블랙홀-1]

 안녕하세요! 평소에 우주에 관심이 많은 평범한 대학생 우주성애자입니다.

 엽혹진에서 꼭 해보고 싶었던 우주에 대한 지식, 현상, 이론등등 여러가지를 소개하고 싶었는데요.

세 번째 블랙홀 시작합니다.

이번 편은 내용이 많을 것 같아서 2개로 나눠서 올리도록 하겠습니다.

아마추어도 아닌 그냥 취미이므로 잘못 적혀있더라도 이해해주시면 감사하겠습니다.

여러분은 블랙홀 아시나요?

눈으로는 볼 수 없고 특수촬영으로만 관측가능한 신기한 천체

더욱이 영화 인터스텔라로 인해서 더욱 유명해졌죠.

그래서 이번에는 블랙홀에 관해 써볼려고 합니다.

I. 블랙홀의 등장

1783년 영국의 천문학자인 존 미셀은

"빛이 빠져나오지 못할 정도로 별의 덩치가 커지면 어떤 일이 벌어질까?"

라는 의문을 최초로 떠올렸습니다.

다들 아시다시피 모든 천체들은 자기 주변에 중력을 행사하고 있기때문에

천체의 표면에 있는 물체가 중력으로부터 벗어나려면 엄청난 속도로 출발을 해야합니다.

이것을 바로 탈출속도라고 합니다.

지구에 인공위성처럼 둘레를 도는 속도인 제1우주 속도는 7.9km/s[마하23]

위에서 언급한 지구의 중력을 탈출하기 위한 속도인 제2우주 속도는 11.2km/s[마하33]

태양계를 벗어나기위한 속도인 제3우주 속도는 12.4km/s[마하36]

하지만 존 미셀이 언급한 것은 별의 질량이 너무 커서 탈출속도가 광속보다 빠른 경우였습니다.

이런 천체들은 어떤 것도 탈출이 불가능하기 때문에

우주에서는 검은색으로 보여 관측이 불가능할 것입니다.

그렇기때문에 그 후 150년동안 학자들로부터 관심을 끌지 못하다가

1916년 독일의 물리학자인 칼 슈바르츠실트에 의해 화제가 되었습니다.

바로 당시 군복무 중이던 슈바르츠실트는 전쟁도중 아인슈타인 방정식인 텐서방정식의 정확한 해를 구했는데,

그 해는 별들의 중력을 설명해주고 있었습니다.

이어 슈바르츠실트는 2번째 논문에서 큰 별의 중심이 매직스피어라는

가상의 구형에 의해 둘러싸여 있음을 증명했습니다.

우주성애자

매직스피어란 어떤 물체가 천체를 향해 접근하다가 어떤 한계선을 지나면 다시 되돌아올 수 없는 경계선을 의미합니다.

[이것은 후에 슈바르츠실트의 반지름 또는 사건의 지평선이라 불리우게 됩니다.]

슈바르츠실트는 바로 이 매직스피어를 구하기 시작하였는데, 

태양의 경우 매직스피어의 반지름은 3km

[지구의 매직스피어는 1cm]

즉 태양이 3km까지 줄어들게 되면 블랙홀이 된다는 말이 된다는 뜻입니다.

하지만 이것은 현실적으로 불가능 합니다.

1939년 아인슈타인이 블랙홀은 자연적으로 생성될 수 없다는 논문을 발표했는데,

일반적으로 별은 먼지와 기체, 그리고 다양한 물질들이 모여 소용돌이 치다가

중력에 의해 천천히 압축되면서 탄생됩니다.

하지만 이들끼리 중력에 의해 압축될 수 있는 한계는 슈바르츠실트 반지름의 1.5배이기 때문에

슈바르츠실트 반지름 이내로 압축 되지는 않아 자연적으로 생성될 수 없다고 했습니다.

 

같은해 1939년에 원자폭탄을 제작하는 맨하탄 프로젝트의 총책임자였던

로버트 오펜하이머와 제자 히틀랜드 스나이더는 다른 과정을 통하여 블랙홀이 생성될 수 있음을 증명하였는데,

바로 소용돌이치는 입자들이 중력에 의해 서서히 압축되면서 블랙홀이 마들어진다는 기존의 가정을 폐기하고

별의 핵 융합 반응이 끝난 매우 크고 오래된 별이 중력에 의한 내파를 일으켜 블랙홀이 생성된다고 주장을 했습니다.

예를 들면 별의 질량이 태양의 40배가 된다면

슈바르츠실트 반지름인 128km의 크리고 압축이 되어 블랙홀이 됩니다.

오펜하이머와 스나이더는 블랙홀의 존재가능성과 함께 모든 별들의 마지막 종착점은

블랙홀이라 주장을 하기도 했습니다.

II. 회전하는 블랙홀

1963년 뉴질랜드의 수학자 로이 커가 회전하는 블랙홀에 대한

아인슈타인 방정식의 정확한 해를 구함으로써 커다란 변화를 맞이하게 됩니다.

각운동량은 어떠한 경우에도 보존이 되어야하므로 중력에 의해 별이 안으로

수축될수록 회전 속도는 빨라지게 됩니다.

[김연아 선수가 회전을 할 때 팔을 안으로 오므렸을 때 회전속도가 더욱 빨라지는 것도

각운동량의 보존법칙에 의한 결과입니다.]

그렇게 되면 회전하는 별에서는 원심력과 중력이 서로 균형을 이루면서

내부의 중성자들이 원형 고리 모양으로 배열됩니다.

이러한 형태의 블랙홀을 커 블랙홀이라고 하는데 이 안으로 물체가 빨려들어가면 다른 블랙홀처럼 분해되지 않고

아인슈타인-로젠 다리를 거쳐 다른 우주를 이동하게 된다고 합니다.

로이 커는 이 사실을 발견하고 이렇게 외쳤다고 합니다.

"이 마술고리를 통과하면 반지름과 질량이 음수인 이상한 우주로 진입할 수 있다!"

그리고 커 블랙홀의 사건의 지평선을 통과할 때 사람에게 작용하는 중력은

사람이 죽일 정도로 강력하지는 않지만 다시 돌아올 수는 없게 만들 수 있습니다.

마치 고층건물의 승강기를 생각할 수 있는데 승강기는 건물의 각 층[각기 다른 우주]을 연결하고 있으므로

아인슈타인-로젠 다리와 같은 개념으로 생각할 수 있습니다.

하지만 고층건물의 승강기를 탄 후 위로 올라갈 수는 잇지만 다시 내려올 수 없는 형태가 됩니다.

바로 사건의 지평선을 넘어갔기 때문이지요.

[하지만 커 블랙홀은 2개의 사건의 지평선을 가지고 있는데

다른 물리학자는 2번째 사건의 지평선을 적절히 이용하면 왕복이 가능하다고도 합니다.

그래도 이것은 모두 이론상의 가정일 뿐입니다.]

이 커 블랙홀을 가지고 학자들의 의견은 두 갈래로 나뉩니다.

원형고리를 통과하는 물체가 블랙홀의 안정성을 교란시켜 입구가 금방 닫힌다는 의견

예를 들어 빛이 커 블랙홀로 진입하면 엄청난 에너지를 획득하면서 청색편이를 보이게 됩니다.

즉 빛의 진동수와 에너지가 크게 증가한다는 뜻인데 이런 빛이 사건의 지평선으로 진행하면

아인슈타인-로젠 다리를 건너려는 모든 것들을 사정없이 학살을 할 것이고,

이 빛으로부터 형성된 중력장이 원래의 블랙홀을 교란시켜 입구를 파괴시킬 수도 있습니다.

반면에 커 블랙홀이 가장 현실적인 블랙홀이면 다른 우주를 연결하는 통로라고 믿는 물리학자도 있습니다.

하지만 입구의 안정성과 사람의 안전 문제는 아직도 미지로 남아있습니다. 

참고문헌---------------------------------------------

칼 세이건 / 코스모스

미치오 카쿠 / 평행우주

아인슈타인 / 상대성이론

킵 손 / 인터스텔라의 과학

피터 매시니스 / 100디스커버리

토마스 뷔르케 / 과학이 즐거운 천문학

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 양자론

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 우주론

다케우치 가오루 / 한권으로 충분한 시간론

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