우주 (宇宙, Universe) 에 대하여 - 블랙홀 (1)

블랙홀 (Black hole) 이란?

블랙홀은 항성의 진화의 최종단계인 중성자 별 (초신성 폭발 후 대량의 항성이 자신의 질량에의 해 붕괴된 후 형성되는 천체)에 이르지 못하고 폭발하고 수축하여 생성된 우주에서 가장 강력한 밀도와 중력을 갖는 영역을 말합니다. 이 밀도와 중력에 의해 블랙홀의 영역에서는 전자기 복사, 빛을 포함한 그 무엇도 빠져나올 수 없습니다.

 

이벤트 호라이즌 망원경으로 관측된 타원은하인 처녀자리 A 은하의 중앙에서 관측된 초대질량 블랙홀 (출처 : Wikipedia)

블랙홀의 형성과 진화

 우주의 진화와 밀접한 관계를 갖는 것으로 여겨지는 블랙홀은 그 성질과 동작 메커니즘을 이해하는 것이 천문학과 우주 과학의 중요한 과제로 자리 잡고 있습니다. 블랙홀의 형성은 일반적으로 항성의 중력붕괴에 의해 생겨나는 것으로 여겨지고 있지만, 그 밖에 블랙홀을 탄생시킬 수 있는 기이한 과정들이 존재합니다.

 항성의 중력 붕괴에 의한 블랙홀 형성은 항성의 일생과 관련돼있습니다. 우주에 존재하는 항성, 즉 별들은 핵융합 반응을 통해 수소를 헬륨으로 변환하며 거대한 에너지를 생성합니다. 이 핵융합 반응은 별의 내부에서 중력과 열기의 반사가 균형을 이루면서 지속적으로 유지되는데, 시간이 흘러 별 내부의 수소 연료가 소진되면 이 중력과 열기 반사 균형이 깨지게 됩니다. 압도적으로 우세해진 중력에 의해 별이 스스로 붕괴하며 별들이 죽음의 길에 들어서게 됩니다. 이때 별의 질량에 따라 최종 형태가 결정됩니다. 그 형태는 흰색 왜성, 중성자별, 그리고 블랙홀이 있습니다.

 1) 흰색 왜성은 중간 질량의 별들의 최종 형태이며, 별의 붕괴 후 압축되어 별의 중심에서 백색 왜성 핵을 형성합니다. 이 백색 왜성은 매우 높은 온도와 밝기를 갖고, 별의 연소를 멈춘 후에는 천체의 크기가 작아지면서 서서히 식어갑니다. 2) 중성자별은 보다 높은 질량을 갖는 별들의 최종 형태입니다. 이들은 초기 흰색 왜성과 같은 단계를 거쳐 그 질량값이 일정이상에 도달할 경우 중성자별로 진화하게 됩니다. 중성자별은 매우 밀도가 높고, 전자와 양성자로 이루어진 중성자 플라스마로 구성되어 매우 강력한 중력을 발생시킬 수 있습니다.

 마지막으로 3) 블랙홀은 초 대형의 질량을 갖는 별들이 흰색왜성, 중성자별, 단계를 걸쳐 최종적으로 진화한 형태입니다. 중성자별의 단계까지 이뤄진 진화에서 별의 중심 부근의 물질들이 커다란 중력에 의해 더욱 압축되어 시간의 지평선(Event horizon)이라는 영역을 형성합니다. 이 영역은 그 영역을 경계로 하여 그 어떤 물질도 빠져나갈 수 없다는 영역을 말합니다. 이렇게 형성된 블랙홀은 우주 전체에 존재하는 우주 마이크로파 배경(관측 가능한 우주의 모든 공간을 채우는 마이크로파 복사)과 주변의 모든 물질을 흡수하면서 계속해서 질량이 증가하는 특성을 지닙니다. 물질은 흡수되어 압축되며 그 밀도가 증가하게 되는데, 이에 따라 블랙홀의 질량 또한 증하게 되고 그 중력이 강해지게 되 초대질량의 블랙홀로 성장하게 됩니다. 이런 특성은 은하의 형성과도 연결되며, 현재 발견되고 있는 은하 중심에는 거대한 초대질량 블랙홀들의 존재하는데 원시 우주형성시 거대한 질량을 지닌 항성들의 붕괴로 큰 질량을 갖은 블랙홀들이 만들어지고 그들이 시간이 지남에 따라 거대해져 은하중심의 초대질량 블랙홀로 진화한 것으로 여겨집니다.

블랙홀의 증발

 블랙홀의 증발은 1974년 스티븐 호킹에 의해 처음 제안된 내용입니다. 블랙홀에서 양자역학적인 효과로 인해 블랙홀은 서서히 에너지를 잃고 사라지는 과정을 말하며, 호킹 복사라 부르고 있습니다. 

 이 호킹 복사에 따르면 블랙홀은 모든 것을 흡수하고 아무것도 방출하지 않는다는 그 특성에 양자역학의 원리를 적용하여, 블랙홀 주변에 가해지는 가벼운 양자 파동의 효과로 인해 소량의 열복사 에너지가 블랙홀에서 방출될 수 있다는 내용입니다. 이렇게 시간이 지남에 따라 블랙홀은 그 질량을 광자와 여러 입자의 형태로 방출하여 그 질량을 상실해 점차 작아지는 증발 현상이 나타날 것으로 예측했습니다.  이 증발 현상은 블랙홀의 표면중력에 비례하며, 큰 블랙홀이 작은 블랙홀 보다 입자를 적게 방출하게 되고 증발속도 또한 느릴 것으로 판단하고 있습니다. 하지만 큰 질량을 갖는 블랙홀들의 호킹 복사는 매우 약할 것으로 추측되어 지구상에서는 감지하기 어려울 것으로 여겨지고 있습니다. 다만 예외적으로 블랙홀 증발의 마지막 단계에서 감마선 폭발 현상이 일어난다면 관측이 가능할 수도 있기 때문에 현재까지 블랙홀 증발에 대한 명확한 관측결과는 확인된 바가 없지만, 여러 천문학자들이 계속하여 해당 현상을 찾아 연구하고 있습니다.