이름만으로도 두려운 블랙홀에 대해 알아봅니다

이름만으로도 두려운 블랙홀에 대해 알아봅니다.

블랙홀은 우주에서 괴이한 천체 중 하나로 알려져 있는데

블랙홀의 중력이 너무 강해 주변에 있는 모든 것을 흡수하기에

그 중심 속에 어떠한 것도 도달할 수 없습니다.

빛조차도 탈출할 수 없어 관측조차 어렵습니다.

주변의 물질이나 가까이에서 관측할 수 있는 천체의 움직임을

통해 간접적으로 감지하는 것입니다.

 

무서운 블랙홀

 

1. 블랙홀은 어떠한 과정을 통해 생성되었는가?

1) 대량의 별들이 수축

블랙홀은 대개는 대량의 별이 사라져 가는 단계에서 형성되는데, 별은 핵융합으로 인해 에너지를

발생하게 되고, 이 에너지가 중력과 평형 상태를 유지하게 시켜줍니다. 그러나 별의 연료 소진 시에

중력이 별의 외부로부터의 압력을 이기게 되면 별의 중심부가 무한히 작게 되고 밀도는 높아집니다.

2) 중심 부분의 고밀도 지역

별 중심부의 높은 밀도와 압력으로 원자핵은 압축되고 전자와 양자 간 상호작용으로 압력을 받습니다.

3) 중력 붕괴

별 중심부의 높은 밀도는 중력이 더 이상 양자 압력을 이기지 못하게 되고 그렇게 되면 중심부의

크기는 무한히 작아지게 되는데 이것을 중력이 붕괴한다고 말합니다.

4) 이벤트 지평선의 형성

중력의 붕괴로 인해 무한히 작아진 지점을 이벤트 지평선이라 하며, 이 지점에는 중력의 어떠한

빛도 빠져나갈 수 없는 상태가 되는 것입니다.

5) 실질적 블랙홀 형성

이벤트 지평선 안은 외부와 철저히 분리되어 더 이상의 외부의 정보나 빛을 전달할 수 없게 되고,

이러한 결과로 우리가 알고 있는 블랙홀이 형성되는 것입니다.

 

2. 블랙홀이 우주에 미치는 파장은?

1) 중력에 미치는 영향

블랙홀은 매우 강력한 중력으로 주변의 모든 물체들을 흡수하는데, 주변의 가스나 먼지, 별들을

블랙홀로 끌어들여 그 주변을 곡률(공간의 휜 정도를 나타내는 변화율) 시킵니다.

이로 따라 빛이나 다른 전자기의 파동이 굴절되기도 합니다.

2) 빛이 휘어짐

블랙홀 주변은 중력이 높아짐에 따라 그 주변의 빛이 휘어지게 되는 이를 '중력 렌즈 효과'라고

불립니다. 블랙홀이 빛을 휘게 하기에 주변 천체를 관측할 수 있게 되는 것입니다.

3) 먼지나 가스 등의 흡수

블랙홀이 주변의 가스와 먼지 등을 흡수하기에 온도와 광도의 가스 디스크가 형성이 됩니다.

가스 디스크는 강력한 X선을 방출하기도 합니다.

4) 우주의 진화에도 영향을 미침

블랙홀은 별의 진화 과장에 형성되는 것이기에 우주의 진화에도 매우 큰 영향력을 발휘합니다.

블랙홀이 형성되는 과정에서의 에너지 방출이 우주에 영향을 끼치지 때문입니다.

 

3. 블랙홀의 다양한 전자기파

블랙홀은 다양한 전자기파를 방출 또는 방출된 전자기파를 흡수합니다.

이러한 전자기파는 블랙홀의 특성에 따라 다양한 형태로 나타납니다.

1) 라디오파(Radio Waves)

블랙홀 주변에 무엇인가 블랙홀로 떨어지면서 높은 에너지를 방출할 때 라디오파가 나옵니다.

라디오파의 관측을 통해 블랙홀 주변의 환경과 특성을 알 수 있습니다.

2) 자외선(Ultraviolet Radiation)

자외선 또한 블랙홀 주변에 높은 에너지의 무엇인가가 떨어지면서 방출되는데 이러한 자외선

방출은 블랙홀 주변 가스 디스크에서 생길 수 있습니다.

3) 엑스레이(X-rays)

보통은 블랙홀 주변의 높은 압력과 온도로 인해 가스가 엑스레이로 방출되는데, 블랙홀이 

주변 별들을 흡수할 때에도 방출됩니다. 엑스레이 관측은 블랙홀 고에너지 연구에 중요합니다.

4) 그라비티 웨이브(Gravitational Waves)

블랙홀에서 방출하는 전자기파 중 가장 독특한 파장인데, 그라비티 웨이브 전자기파는 블랙홀이

두 개로 합쳐지거나 다른 중력적인 상황에서 전파되는 파장입니다. 

2015년 처음으로 감지될 당시 물리학 연구에 일대 혁명적인 이슈이기도 했습니다.

 

4. 블랙홀을 주요 구성 요소

블랙홀은 알베르트 아인슈타인의 일반상대성이론에서 예측되었던 현상입니다.

블랙홀은 그 자체로는 색깔이 없습니다. 블랙홀의 크기는 질량에 비례하기도 합니다.

1) 이벤트 지평면(Event Horizon)

블랙홀 주위의 경계를 이벤트 지평면이라 하는데, 이 지평면을 넘어서면 어떠한 빛도

블랙홀로부터 탈출할 수 없습니다. 중력의 힘이 너무 강해 빛의 속도와 같아지기 때문입니다.

2) 싱귤래러티(Singularity)

블랙홀의 중심을 싱귤래러티라 부르는데 블랙홀의 질량이 모여들어 크기가 자고 밀도가 무한히

높은 지점입니다. 현재의 물리학에서는 이론적으로 예측하기 매우 어렵습니다.

3) 호라이즌 구간(Ergo sphere)

호라이즌 구간은 블랙홀 주변에서 블랙홀이 자전하는 속도보다 빠르게 회전합니다.

이 구간에서는 블랙홀 자체가 주변 공간과 시간을 이동시켜는 효과가 나타납니다.

 

5. 과연 블랙홀은 앞으로 어떻게 진화할까?

현재 블랙홀의 미래를 예측하는 것은 일반적인 고려 대상이 아니기에 매우 어렵습니다만

천문학적 관측과 블랙홀의 진화된 과정을 특성으로 미루어 예측하는 것입니다.

1) 증발(Hawking Radiation)

스티븐 호킹의 이론에 따르면 블랙홀은 양자역학적인 효과로 방출되는 입자들에 의해

점차 증발할 것이라고 합니다. 이러한 현상을 '호킹 복사' 또는 '호킹 증발'이라 하는데,

블랙홀의 질량이 충분하게 작아지면 이 증발 현상은 더 빠르게 일어나고 끝내 소멸한답니다.

2) 블랙홀의 합체

블랙홀끼리는 서로 중력적으로 움직입니다. 두 블랙홀이 가까워지고 합쳐지면 이를 블랙홀의 합체

라고 하고, 이 과정에서 중력파가 방출되는데 이 중력파는 그라비티 웨이브로 관측 가능합니다.

3) 블랙홀 활동성의 변화 감지

블랙홀 주변의 가스, 먼지, 디스크에서 물질이 떨어지면 블랙홀의 활동이 커지는데, 더 많은

물질이 블랙홀로 떨어지게 되고, 에너지 방출 또한 증가하게 되는데, 이때 더 밝게 관측됩니다.

4) 질량의 축소

외부에서의 계속적인 물질 등이 블랙홀로 떨어지게 되면, 블랙홀의 질량 또한 계속 증가합니다.

이것은 블랙홀의 중력장을 강화해 주변 물체들에 더 강한 영향을 주는 것을 알 수 있습니다.

 

 

블랙홀에 관한 연구는 천문학, 물리학, 우주과학 등 다양하게 이루어지고 있습니다.

우주에 대한 기본적인 이해와 새로운 지식 발견, 이론적 관측상으로 블랙홀을 탐구해야 할 것입니다.

연구자들은 자신의 연구 뿐만 아니라 일반 대중에게도 이를 알리는 역할을 해 우주 과학 지식을

확장시키는 데 노력한다면 대중은 복잡하고 어렵기만 한 우주에 관해 신비로움을 안고 소통하고

참여할 것이며, 미래 세대들은 과학 분야로의 진로나 공부에 대해서도 동기부여가 될 것입니다.