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블랙홀에 관한 흥미로운 11가지 사실

  • 입력 2015.07.01 17:58
  • 기자명 뉴스페퍼민트
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은하수의 중심부에 위치한 초거대 블랙홀 NASA/CXC, via MIT, via F.K.Baganoff


블랙홀은 중력이 너무나 강력해 빛조차도 빠져나갈 수 없는 곳입니다. 일반상대성이론을 만들고 이를 통해 블랙홀의 존재를 예측 가능하게 만든 아인슈타인조차 이것이 실제로 존재하기에는 너무 이상한 개념이라고 생각했습니다. 그러나 아인슈타인은 틀렸죠. 인간이 블랙홀을 상상할 수 있게 되기까지 수백만 년이 걸렸습니다. 그럼 블랙홀에 대해 좀 더 자세히 알아볼까요?



블랙홀은 배고픈 괴물입니다
블랙홀은 블랙홀의 중력을 이길 수 없는 모든 것들을 집어삼킵니다. 행성, 우주 가스, 별 등 질량이 있는 모든 것들을 흡수해가며 덩치를 키워나가죠. 블랙홀의 가장자리에는, 더 이상 아무것도 돌아올 수 없는 ‘이벤트 호라이즌’이라는 경계가 있습니다. 그 안쪽에 한 번 빠졌다간 빛조차도 빠져 나오지 못하죠. 빛보다 빠른 대상이 없다는 사실은 곧 그 어떤 것도 이벤트 호라이즌을 넘어서면 돌아올 수 없다는 것을 뜻합니다.





블랙홀을 통해 우주를 이해할 수 있습니다
아직 우리는 우주를 충분히 이해하지 못하고 있습니다. 방화벽(firewall) 파라독스는 가장 확실한 과학이론에도 오류가 있을지 모른다는 것을 알려줍니다. 블랙홀 내부의 정보에 어떤 일이 일어나는지를 정확히 알게 된다면, 지금 우리가 우주에 대해 알고 있는 모든 것이 바뀔지도 모릅니다.






블랙홀에 빠진 사람이 어떻게 죽게 되는지는 확실하지 않습니다
당신이 블랙홀에 빠졌다고 가정해 봅시다. 강력한 중력이 당신을 산산조각 내버릴까요? 아니면 경계의 에너지가 당신을 하얗게 태워버릴까요? 당신의 일부라도 블랙홀에서 빠져나올 수 있을까요?
‘블랙홀 안에서 사람은 어떻게 죽는가’라는 이 질문을 처음 던진 건 2012년 3월, 도날드 마롤프, 아메드 아메이리, 제임스 설리, 조셉 폴친스키였습니다. 이 논쟁은 지금 물리학계에서 아마 가장 뜨거운 논쟁 주제일 겁니다. 이 문제가 바로 ‘방화벽 파라독스’입니다.



아인슈타인이 1915년 발표한 일반상대성이론에 따르면, 블랙홀로 떨어지는 사람은 이벤트 호라이즌을 통과할 수 있으며 무한한 밀도를 가진 블랙홀의 가장 핵심부에서 중력에 의해 찌그러지기 전까지는 아무런 상처를 입지 않습니다.
그러나 폴친스키와 그의 동료들은 아인슈타인의 이론에 양자 역학을 적용해 이벤트 호라이즌은 마치 방화벽(firewall)처럼 불타고 있으며 따라서 사람은 흔적도 없이 타버릴 것이라고 주장했습니다.
스티븐 호킹은 2014년 1월 이들의 주장에 대해, 블랙홀은 우리가 생각하는 그런 것이 아니라고 말했습니다. 곧, 이벤트 호라이즌이란 존재하지 않고 특이점 또한 없으며, 그저 다른 어떤 것이라는 말입니다.
호킹은 블랙홀의 경계에서는 시공간의 4차원이 마치 날씨처럼 복잡하게 변화하며, 인간은 이를 상상할 수 없다고 말합니다. 그는 ‘경계처럼 보이는 곳’은 마치 빛의 연옥처럼, 탈출하려는 빛이 서서히 소멸하며 안쪽으로 꺾이지만 특이점으로 끌려가지는 않는다고 표현합니다. 또 이벤트 호라이즌은 그 크기를 유지하거나 혹은 블랙홀이 에너지를 서서히 잃어감에 따라 작아진다고 주장합니다. 그 경계처럼 보이는 곳에서 사람은 찌그러지고 ‘호킹 복사’에 의해 우주로 흩어지게 됩니다.




블랙홀은 노래할 수 있습니다
2003년 앤드류 파비안은 NASA의 찬드라 X-ray 관측소에서 가장 길고 가장 오래된, 그리고 가장 낮은 우주의 소리, 곧 블랙홀의 노래 소리를 들었습니다. 가온 다(C) 음에서 57옥타브 아래의 B플랫이었던 이 음은 비록 사람이 듣기에는 너무 낮은 소리였지만, 분명히 거대 블랙홀 갤럭시 NGC1275의 경계에서 일어나는 폭발이 내는 소리였습니다.


물론 이 소리는 그 은하 내에서만 존재하며 우리에게 도달하지는 않습니다. 또한 도달한다 하더라도 직접 들을 수는 없습니다. 인간이 들을 수 있는 가장 낮은 소리의 간격은 0.1초이지만 이 블랙홀이 내는 소리의 주기는 천만 년입니다.
이 소리는 감소하고 있는 별의 탄생과 관련이 있을지 모릅니다. NGC1275가 있는 페르세우스 은하에서 이 소리는 우주 가스를 너무 뜨겁게 만들어 별의 생성을 방해하고 있는 것으로 추측되고 있습니다.




블랙홀이 은하 크기를 조절하고 있을지 모릅니다
블랙홀이 우주 가스를 뜨겁게 만들어 별의 생성을 제한하는 것만은 아닙니다. 천문학자들은 은하가 회전하고 블랙홀 주변이 가열될 때 나오는 그 에너지가 멀리 떨어진 은하 중심부의 우주 가스를 빨아들이는 초거대 블랙홀인 퀘이서에 에너지를 공급하는 X-ray를 만든다고 생각합니다.






블랙홀은 우주의 거의 모든 은하에 존재합니다
비록 지구 주변에는 블랙홀이 존재하지 않지만, 이 우주 전체에는 셀 수 없이 많은 블랙홀이 존재합니다. 우리가 속한 은하뿐만 아니라 우리 눈에 보이는 천억 개의 은하 거의 모두에 블랙홀이 있다는 증거가 관측되고 있습니다.
우리 은하에서 새로 생기는 별 중 약 1천 개당 하나는 블랙홀이 될 수 있을 만한 질량을 가집니다. 우리 태양은 블랙홀이 되지 않습니다. 그러나 태양보다 25배 더 무거운 별들은 가능합니다. 항성 크기의 블랙홀은 이런 별들의 종말과 함께 탄생하며, 은하의 어느 위치에서나 있을 수 있습니다.


우리 태양보다 수백만 배에서 수십억 배 무거운 초거대 블랙홀은 은하의 중심부에만 존재합니다. 지구로부터 2만 6천 광년 떨어진 은하수의 중심부인 궁수자리 A에 태양보다 400만 배 더 무거운 초거대 블랙홀이 자리잡은 것으로 생각되고 있습니다. 초거대 블랙홀이 어떻게 발생하는가는 아직 알려져 있지 않습니다.




블랙홀은 별의 묘비입니다
그 신호는 핵폭탄에 의한 것이 아니었습니다. 지구의 것도 아니었습니다. 1967년 7월 2일, 인공위성들은 먼 우주에서 온 감마선 폭발 신호를 감지했습니다. 이제 와서 생각해보면, 이 신호는 블랙홀이 실재한다는 최초의 증거인 듯합니다. 과학자들은 오늘날 감마선 폭발을 죽어가는 별의 마지막 날숨이자 갓 태어난 블랙홀의 울음 소리로 이해하고 있습니다.


이런 극적인 변화는 거대 항성이 자신을 모두 태워버렸을 때 일어납니다. 별은 붕괴하기 시작하고, 폭발합니다. 별의 바깥 층은 우주로 퍼져나가지만 내부는 점점 더 안으로 수축해 너무 작은 공간에 너무 많은 물질이 존재하게 됩니다. 자신의 중력을 버티지 못하고 다시 내부로 붕괴하게 되며 극단적으로 블랙홀을 만들게 됩니다.
이론적으로는 어떤 크기의 질량이라도 충분히 작은 공간에 우겨 넣기만 한다면 블랙홀이 될 수 있습니다. 만약 이 지구를 콩 하나의 크기로 줄인다면 지구 역시 블랙홀이 됩니다.




블랙홀은 아무런 정보를 남기지 않습니다
2011년 3월 28일, 천문학자들은 40억 광년 떨어진 은하의 중심부로부터 나오는 긴 감마선을 검출했습니다. 이는 블랙홀이 별을 잡아먹는 순간이 처음으로 관측된 것입니다.


블랙홀에 들어간 것은 무엇이든 똑같아집니다. 물리학자 존 아치볼드 휠러는 이를 ‘A black hole has no hair’라고 말했습니다. 블랙홀에서 중요한 것은 오직 질량, 스핀, 전하량뿐이라는 뜻입니다.
블랙홀은 더 많이 먹을수록 더 커집니다. 2011년 과학자들은 3억 광년 떨어진 곳에서 지금까지 발견된 블랙홀 중 가장 큰 블랙홀을 발견했습니다. 이 블랙홀의 질량은 태양의 210억 배에 달합니다. 이 블랙홀이 두 블랙홀이 합쳐진 결과인지, 하나의 블랙홀이 많은 질량들을 흡수했기 때문인지는 알려져 있지 않습니다. 그리고 어떻게 블랙홀이 그렇게 커질 수 있었는지도 알지 못합니다.




블랙홀을 찾기 위해 우리는 빛의 경로를 추적합니다
빛은 블랙홀을 탈출할 수 없으며, 이는 블랙홀 내부에서 나오는 빛을 관측하는 것은 불가능하다는 뜻입니다. 블랙홀의 경계를 사진으로 발견하는 것도 어려운 일이며 운이 좋아야만 가능한 일입니다.
사실 아직 그런 일은 일어나지 않았습니다. 과학자들은 별이 붕괴할 때, 감마선 폭발이 있을 때, 초신성, 또는 블랙홀로 접근했다가 풀려난 물체가 뿜어내는 고에너지 라디오파를 관찰할 수 있기를 바라고 있습니다. 일반적으로 은하의 중심부에서 높은 에너지가 관측될 경우 그 중심부는 블랙홀일 가능성이 높습니다.


쉐퍼드 도엘레만과 그의 동료들이 궁수자리 A 와 다른 블랙홀인 M87을 관측하기 위해 사용하는 이벤트 호라이즌 망원경에는 세 대륙의 과학자 100여 명 이상의 노력이 들어 있으며 매우 정교한 원자시계가 사용되고 있습니다. 6개의 산 위에 설치된 7개의 망원경이 시간을 동일하게 맞춘 상태에서 같은 방향을 바라보며 신호를 기다리고 있습니다. 이들은 최초로 이벤트 호라이즌의 이미지를 받게 될지 모릅니다.




블랙홀도 영원한 것은 아닙니다
호킹 복사란 양자역학 효과에 의해 블랙홀의 에너지가 우주로 빠져 나오는 것을 말하며, 이는 블랙홀이 결국 증발할 것이라는 사실을 알려줍니다. 물론 블랙홀이 완전히 증발하는 데 걸리는 시간은 우주의 나이보다 몇 배가 더 걸릴 것으로 예상됩니다.


호킹 역시 아인슈타인처럼, 처음에는 자신의 이론을 믿지 않았습니다. 그러나 그의 계산은 정확했습니다. 물리학자들은 그의 결과가 양자 중력 이론의 중요한 기틀이 될 수 있을 것으로 생각하고 있습니다.




유럽의 거대한 자석은 지구를 파괴하지 않을 겁니다
2008년 유럽의 거대 하드론 충돌장치(LHC)를 시동하기 전, 어떤 이들은 이 27km 반경의 지하 가속기에서 충돌되는 양성자가 블랙홀을 만들고 결국 지구를 먹어버릴지 모른다고 걱정했습니다.


이미 10여 년 전, 같은 주장이 브룩하벤 국립연구소의 상대론적 중이온 가속기 시동에 앞서 나온 적이 있습니다. 그리고 과학자들은 그 주장이 터무니없는 일이라는 것을 밝힌 바 있습니다. 이들의 계산에 따르면, 우주에서 들어오는 고에너지 입자들은 이미 매년 100여 회의 미소한 블랙홀을 만들고 있습니다. 그런 작은 블랙홀이 문제가 된다면, 이미 지구는 벌써 사라졌겠지요.
2008년 6월 발표된 안전보고서 역시 LHC가 실제로 안전하다고 주장했습니다. 실험은 진행되었고 힉스보존은 발견되었으며 지구는 아직 존재하고 있습니다.
이런 실험이 계속되는 동안 지하의 가속기 안에서는 작은 블랙홀들이 생길지 모릅니다. 그리고 이들을 관찰함으로써 방화벽 파라독스에 대한 답을 찾게 될지 모릅니다. (뉴욕타임즈)

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블랙홀 생성 원리와 각 블랙홀들의 질량을 비교한 영상

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