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천문학

천문학의 발견 : 블랙 홀(Black Hole)

by MYJets 2024. 2. 5.

2017년 이론상으로만 존재하던 '블랙홀(Black Hole)을 역사상 처음으로 관측하는 데 성공했습니다. 이번 글은 그동안 궁금증의 대상이었던 블랙홀에 대해 좀더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

블랙홀(Black Hole)이란?

 

블랙홀은 중력이 너무 강해 빛이나 기타 전자기파를 포함한 어떤 것도 빠져나올 만한 강력한 에너지를 갖지 못하는 시공간(spacetime) 영역을 말합니다. 아인슈타인의 상대성 이론(Einstein's Theory of General Relativity)에 따르면 엄청나게 밀도가 높은 질량이 시공간을 변형시켜 블랙홀을 형성한다고 하는데, 우리는 아무것도 탈출할 수 없는 경계선을 사건의 지평선(event horizon)이라 부릅니다. 블랙홀은 그것을 통과하는 물체의 운명과 환경에 커다란 영향을 미치지만, 이것이 상대성 이론에 따른 것이라는 논리적인 특질을 보여주지는 못합니다.

 

블랙홀은 어떤 빛도 반사하지 않기 때문에 여러 가지 점에서 가장 이상적인 흑체(black body)처럼 작용합니다. 더욱이, 곡선 형태를 띄는 시공간에서의 양자장 이론은 사건의 지평선이 질량에 반비례하는 온도를 보이는 흑체와 같은 호킹 방사선(Hawking radiation)을 방출한다고 믿고 있습니다. 이 온도는 항성 블랙홀에서 볼 수 있는 10억 분의 1 켈빈 수준이기 때문에 근본적으로 직접 관찰할 수 없습니다. 

 

백조자리 블랙홀 X-1
백조자리 블랙홀 X-1

 

중력장이 너무 강해 빛이 통과하지 못하는 이 물체의 존재는 여러 학자에 의해 연구되었으며, 1958년 David Finkelstein은 '블랙홀'을 아무것도 탈출할 수 없는 공간 영역이라고 처음으로 발표했습니다. 블랙홀은 오랜 기간 동안 수학적 관심사로 여겨졌으며, 1960년대에 들어서야 이것이 상대성 이론의 예측된 결과라는 이론적 연구들이 나왔습니다. 최초의 블랙홀은 1971년 여러 연구자에 의하여 발견된 백조자리 X-1(Cygnus X-1)입니다.

 

항성 질량의 블랙홀은 거대한 별이 자체 생애주기(life cycle)가 끝날 때 형성되며, 형성된 블랙홀은 주위의 질량을 흡수하며 성장하게 됩니다. 태양 질량의 수백만 배에 달하는 초거대질량 블랙홀은 다른 별이나 블랙홀을 흡수하거나 또는 가스 구름의 직접적인 붕괴를 통해 형성됩니다. 모든 은하계의 중심에는 이런 초거대 블랙홀이 존재한다는 데 이견이 없습니다.

 

블랙홀의 존재는 다른 물질 또는 가시광선(visible light)과 같은 전자기 방사선과의 상호 작용을 통해 추론하게 됩니다. 블랙홀을 향해 떨어지는 모든 물질은 마찰에 의해 가열되는 외부 축적 원반(external accretion disk)을 형성하게 되는데, 이것은 우주에서 가장 밝은 물체 중 하나인 퀘이사(quasars)를 형성하게 됩니다. 초거대질량 블랙홀에 너무 가까이 지나가는 별은 삼켜지기 전에 매우 밝게 빛나는 깃발로 갈가리 찢어지게 됩니다. 다른 별이 블랙홀 주위를 공전하는 경우 그 궤도를 이용하여 블랙홀의 질량과 위치를 파악할 수 있는데, 이러한 방식을 통하여 우리 은하계의 중심에 궁수자리 A*(Sagittarius A*)로 알려진 전파원에 약 430만 태양 질량(4.3 million solar masses)의 초거대질량 블랙홀이 포함되어 있음을 확인했습니다.

 

블랙홀(Black Hoe)의 발견

 

너무 커서 빛조차 탈출할 수 없다는 천체의 존재에 대한 아이디어는 영국의 천문학 선구자인 John Michell이 1784년 그의 출판된 편지에서 밝혔는데, 그의 계산에 따르면 천체가 태양과 동일한 밀도를 가졌다는 가정 하에 별의 직경이 태양의 직경보다 500배 이상 크고 표면 탈출 속도가 일반적인 빛의 속도를 초과할 때 천체가 형성된다고 결론 내렸습니다. Michell은 이 천체를 검은 별(black stars)이라 불렀는데, 이 반사하지 않는 초거대 물체는 주위의 가시 물체에 대한 중력 효과를 통해 구별될 수 있다는 점을 정확하게 지적했습니다.

 

블랙홀의 개념은 이후 20세기 초 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 상대성 이론에 의해 발전되었습니다. 그의 일반 상대성 이론에 따르면 거대한 물체는 시공간 구조를 뒤틀어 근처 물체의 움직임에 영향을 미치는 중력장을 생성하게 되는데, 블랙홀의 경우 중력의 당기는 힘이 너무 강해서 사건의 지평선이 있는 공간 영역, 즉 아무것도 탈출할 수 없는 경계선인 블랙홀을 생성하게 된다는 것입니다.

 

블랙홀-사건의 지평선
블랙혹-사건의 지평선

 

2017년 마침내, 은하계 중심에 위치힌 블랙홀과 그 주변에 있는 사건의 지평선을 관찰하는 프로그램인 이벤트 지평선 망원경(Event Horizon Telescope, EHT)을 통해 메시어 87(Messier 87)의 중심부에 위치한 블랙홀을 관찰하기 시작했습니다. 수년 간의 데이터 처리 과정을 거친 후 EHT는 2022년 5월 최초로 은하의 중심에 위치한 초거대질량 블랙홀의 이미지를 공개했습니다. 위 사진에서 가운데 검게 보이는 부분은 블랙홀이 아닙니다. 이 부분은 단지 모든 빛이 사라졌기 때문에 검게 보이는 것이며, 블랙홀은 사건의 지평선 끝에 빨강색이나 오렌지 색으로 보이는 가스들을 말합니다.

 

블랙홀의 크기는 태양보다 몇 배나 큰 항성질량 블랙홀부터 태양질량의 수백만 또는 수십억 배에 달하는 초거대질량 블랙홀까지 다양합니다. 블랙홀은 그 이름에도 불구하고 빈 공간이 아니라 강한 중력장을 지닌 엄청나게 밀도가 높은 물체이며, 사건의 지평선(the event horizon)이라 불리는 주변 지역은 돌아올 수 없는 지점을 의미합니다. 물체가 이 지점을 넘으면 필연적으로 블랙홀 안으로 끌려들어 탈출할 수 없으며, 이러한 블랙홀의 중력은 사건의 지평선 너머로 확장되어 주변의 별, 가스 및 먼지의 움직임에 영향을 미칩니다. 

 

블랙홀은 천체물리학과 우주론에서 중요한 역할을 하며 은하의 진화, 별의 형성, 우주의 역학에 가장 큰 영향을 미치는 존재로서, 천문학자들이 그들의 특성과 움직임을 조사하기 위해 다양한 관찰 기술을 사용하는 연구 대상입니다. 블랙홀을 이해하는 것은 기초 물리학에 대한 지식을 발전시키는 것뿐 아니라 우주의 신비와 그 안에서 우리의 위치를 찾을 수 있는 필수적인 연구 대상입니다.