우주 (宇宙, Universe) 에 대하여 - 블랙홀 (2)

블랙홀의 구조

현재까지 블랙홀은 세 개의 독립적인 물리량인 질량, 전하, 각운동량을 갖으며, 시간의 지평선, 특이점, 광자구, 작용권 등으로 그 구조가 나눠지고 있습니다.

  

블랙홀 구조 (출처 : Wikipedia)

 

시간의 지평선 (Evefnt horizon)

 시간의 지평선은 블랙홀을 결정짓는 가장 큰 특징입니다. 이 경계는 모든 물질과 빛이 블랙홀을 향해 들어갈 수만 있고 밖으로 나올 수 없는 시공간상의 경계이며, 그 경계에서 "어떤 사건" 이 벌어지고, 블랙홀 내부로 들어간 그 사건에 대한 어떠한 정보도 외부의 관측자에게 도달할 수 없기 때문에 어떤 사건이 발생하였는지 결정하는 불가능하다는 의미를 지닙니다.

 먼저, 시간의 지평선에서 모든 물질이 빠져나올 수 없다는 설명에 대해 알아보면, 질량이 있는 물체는 공간과 시간을 휘게 만들고, 이에 따라 입자의 경로가 질량을 향해 굽히는 현상이 발생한다는 일반 상대성 이론이 적용됩니다. 무엇보다 거대한 질량을 지닌 블랙홀에 위치한 시간의 지평선에서는 이 휘어짐 현상은 더욱 강력하게 발생할 것이며, 그 힘은 블랙홀로부터 멀어지는 경로가 존재할 수 없을 정도로 강력하기 때문입니다. 

 그리고, 외부 관측이 불가능한 이유는 외부 관측자의 시점에서는 중력적 시간지연 효과에 따라 블랙홀로 낙하하는 물체는 사건의 지평선에 가까워질수록 점점 느려지는 것처럼 보이고, 사건의 지평선에 닿기까지 걸리는 시간은 결국 무한대가 됩니다. 이것은 사건의 지평선에 닿는 것이 외부에서 관찰이 불가능하는 것을 의미합니다. 또한 외부에서 관찰했을 때  이 물체의 모든 과정은 느려지는 것처럼 보이기 때문에 물체에서 방출되는 빛도 점점 파장이 길어지고 어두워지게 될 것이며, 최종적으로 이 물체는 너무 어두워져 보이지 않게 됩니다.

  

특이점 (Singularity)

 특이점이란 것은 일반상대론에 따라 예측되는 현상입니다. 회전하지 않는 정적인 블랙홀의 경우 하나의 점 형태의 특이점을 가질 것이며, 회전하는 블랙홀의 경우 고리 모양인 고리 특이점을 갖습니다. 일반적으로 부피는 공간상의 객체나 영역을 측정하는 데 사용되는 개념인데, 특이점의 경우 시공간의 극한 지점으로서, 시간과 공간이 극단적으로 왜곡되고 곡률이 무한대로 증가하는 영역입니다. 따라서 특이점은 시간과 공간이 극단적으로 왜곡되어 일반적인 공간의 개념이 적용되지 않기 때문에 "특이점의 부피는 0이다"라는 개념이 제시됩니다. 그리고 별의 붕괴부터 형성된 특이점을 향한 질량의 집중이라는 개념을 바탕으로 특이점의 밀도는 무한대가 됩니다.

 하지만, 이 특이점의 등장은 일반상대론으로 완벽한 설명이 불가능합니다. 일반상대론은 중력의 작용을 설명하는데 매우 성공적인 이론이지만, 특이점과 같은 극단적인 상황 (극도의 고밀도와 같은 상황)에서 해당 이론으로 그 내용을 다룰 수 없습니다. 이와 같은 상황을 설명하기 위해서는 미시적인 입자와 그들의 상호작용을 다루는 양자역학적 설명이 필요하며, 양자역학적인 관점에서는 특이점과 같은 고에너지 밀집상황을 설명하기에 적합합니다. 하지만 양자역학적인 해석과 일반상대론적 해석이 시간과 공간에 대하여 서로 상이할 수 있기 때문에 두 이론의 융합이 필요한 상황이며, 아직까지 확립된 이론이 없기 때문에 블랙홀의 특이점을 완전히 이해하는 것은 현재로는 어렵습니다.  

 

광자구 (Photon sphere)

 광자구는 블랙홀 주위에서 광자(빛의 입자)의 집합이 일정한 궤도를 그리며 회전하며 형성된 영역입니다. 이 영역은 블랙홀의 중력에 의해 형성되는데, 블랙홀은 사건의 지평선과 내부 경계인 특이점 사이의 중간 지점에서 중력의 균형이 이뤄진 특정 위치에서 광자의 집합이 발생하고, 이 광자의 집합이 곧 광자구가 됩니다.

 광자구는 블랙홀 주변에서 광학적인 현상을 일으키기 때문에 블랙홀 관측에 중요한 역할을 합니다. 블랙홀을 둘러싼 가스나 먼지 입자들이 이 광자구주 위에 모이게 되면, 광학적으로 입자들이 확대되거나 왜곡되는 현상이 발생하고, 이러한 현상은 우주 망원경 등에서 관측이 가능하기 때문입니다. 이 관측결과로 블랙홀의 질량과 회전 속도 등의 정보를 얻을 수 있게 되기 때문에 광자구의 관측은 블랙홀의 구조와 특이점을 이해하는데 중요한 개념으로 여겨지고 있습니다.

 

  

작용권 (Ergosphere)

 작용권은 회전하는 블랙홀에서 관측되는 영역으로, 중력에 의해 왜곡된 시공간의 특징적인 영역을 말합니다. 일반적으로 작용권의 안쪽 경계는 사건의 지평선이 위치하며, 바깥쪽 경계는 회전 타원체를 이루고 있습니다. 이에 따라 블랙홀의 양극에서는 작용권과 사건의 지평선이 겹쳐있으며, 적도로 갈수록 작용권이 모든 방향으로 확장되어 있는 형태입니다.

 작용권은 회전하는 블랙홀의 자전 속도에 비례하여 확장되며, 작용권의 표면에서 그 회전 속도가 극대화됩니다. 이에 따라 회전하는 블랙홀은 주변의 시공간을 회전하게 되는 드래그 현상이 나타나게 되며, 이것은 시공간을 왜곡하는 블랙홀의 독특한 특성이 됩니다. 그리고, 작용권 내부에서는 입자들이 회전하는 블랙홀로부터 에너지를 획득할 수 있으며, 이것은 입자들이 획득한 에너지를 이용하여 더 빠른 속도로 운동할 수 있게 만듭니다. 이러한 현상은 작용권을 통해 에너지를 획득하는 입자들이 외부로 탈출하는 가능성을 가질 수 있다는 것을 의미하며, 펜로즈 과정 (회전 블랙홀에서 에너지를 추출하는 방법)이라 불립니다. 이 작용권은 블랙홀의 특성과 운동에 대한 중요한 관측 자료를 제공하기 때문에 블랙홀 구조뿐만 아니라 우주의 구조와 물질의 상호작용을 이해하는데 큰 도움을 줄 수 있습니다.