블랙홀의 의미와 블랙홀이 가진 성질과 구조

1. 블랙홀의 의미

블랙홀은 강력한 밀도와 중력, 입자나 전자기 복사, 시공간 영역, 그리고 빛을 포함한 어떤 것도 빠져나올 수 없는 별들이 진화의 마지막 단계에서 폭발 후 수축하면서 생성된 것으로 추정된다. 일반상대성이론은 밀도가 높은 질량이 공간을 휘게 하고 블랙홀을 형성할 수 있다는 것을 예측할 수 있게 해 준다. 블랙홀에서 탈출할 수 없게 만드는 경계를 사건의 지평선이라고 한다. '가수 윤하 사건의 지평선'이라는 노래와 함께 이제는 익숙해질 법한 단어일 것이다 물체가 사건의 지평선을 넘으면 파괴적인 영향을 미치지만, 외부 관측자에게는 속도가 점차 느려져 결코 경계에 도달하지 못하는 것처럼 보일 것이다. 블랙홀은 빛을 반사하지 않기 때문에 이상적인 흑체처럼 행동하는 것처럼 보인다. 또한 곡선 시공간의 양자장 이론은 사건 지평선이 블랙홀의 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체 유사 스펙트럼의 열복사를 방출하며, 이 온도가 수십억 분의 1이기 때문에 열복사를 관측하는 것이 본질적으로 불가능하다고 제안한다 켈빈. 중력장이 너무 강해서 빛이 빠져나갈 수 없는 천체라는 개념은 18세기 존 미첼과 피에르 시몬 드 라플라스 후작에 의해 고안되었고, 1916년 카를 슈바르츠실트는 블랙홀로 특징지어지는 일반 상대성 이론을 최초로 현대적으로 발견했다. 하지만, 아무것도 빠져나갈 수 없는 공간의 영역은 1958년 데이비드의 논문에 처음 등장했습니다. 그 이후로 블랙홀은 오랫동안 수학적 관심의 대상이 되었다. 1960년대에는 블랙홀이 일반상대론에서 파생된다는 것을 증명하기 위한 이론적 연구가 진행되었다. 중성자별의 발견으로 중력붕괴밀도가 천체물리학적 실체로 존재할 가능성에 대한 관심이 높아졌다. 항성질량 블랙홀은 수명이 다하여 매우 큰 별들이 붕괴하면서 형성되는 것으로 알려져 있다. 블랙홀은 형성된 후에도 주변의 질량을 흡수함으로써 성장할 수 있다. 초거대 블랙홀은 다른 별을 흡수하거나 서로 융합해 형성될 수 있으며, 대부분의 은하 중심부에 초거대 블랙홀이 존재한다는 것도 과학계의 공통된 시각이다. 블랙홀 내부를 들여다볼 수는 없지만, 블랙홀이 상호작용하는 다른 물질들을 통해 그 성질을 알 수 있습니다. 블랙홀 위로 떨어지는 물질은 강착원반을 생성하고, 그 결과로 생긴 원반은 마찰열로 인해 가열되어 열복사를 통해 빛난다. 우주에서 가장 밝은 천체로 알려진 퀘이사는 이 과정을 통해 만들어진다. 만약 블랙홀 주위를 도는 또 다른 별이 있다면, 그 궤도는 블랙홀의 질량과 위치를 예측하는 데 사용될 수 있다. 천문학자들은 중성자별과 다른 비슷한 천체들을 제외함으로써 블랙홀 후보로 볼 수 있는 많은 쌍성계를 발견했고, 우리 은하의 중심 방향에 있는 전파원 궁수자리 A*를 초대질량 블랙홀로 확인했다. LIGO 공동 연구진은 2016년 2월 11일 두 블랙홀이 서로 융합하면서 발생하는 중력파를 감지해 사상 처음으로 중력파 관측에 성공했다고 발표했다. 이것은 최초의 중력파 관측이며 블랙홀 쌍성 핵융합의 첫 사례이기도 하다.

 

2. 한국의 블랙홀 관측

국내에서는 2019년 4월 10일 정태현 등 연구진 10명이 지평선망원경 행사에 참여해 인류가 처녀자리 A은하에서 최초로 촬영한 블랙홀 사진을 공개했다. 전파망원경의 파장을 작게 하거나 망원경의 크기를 크게 함으로써 해상도를 높일 수 있었다. 1.3㎜의 작은 전파를 이용해 지구 전역에 흩어져 있는 8개의 전파망원경을 동시에 사용함으로써 실제로는 지구 크기의 전파망원경을 사용한 것과 같은 효과를 냈다. 사진 속 블랙홀은 블랙홀 뒤에서 나오는 빛이나 주변에서 발생한 빛이 블랙홀의 중력에 의해 감겨 형성된 고리 모양 구조 안에 있다는 연구 결과가 나왔다. 이 공간은 블랙홀의 그림자라고 불리며 내부의 빛이 빠져나가지 못해 형성된다. 1783년 존 미첼이 왕립학회의 헨리 캐번디시에게 보낸 편지에서 빛조차 피하기에는 너무 무겁다는 개념을 처음 발견했다. 수학자 피에르 시몬 후작은 1796년 저서 《우주 시스템에 관한 해설》에서 같은 개념을 언급했다. 19세기까지는 질량이 없는 파동인 빛이 중력의 영향을 받을 것이라고 생각하기 어려웠기 때문에, 이 "어둠"의 개념은 대체로 무시되었다. 털이 없는 정리에 따르면 블랙홀은 형성 후 안정된 상태에 도달하면 전하, 질량, 각운동량의 세 가지 독립적인 물리량을 갖는다. 물리적 양과 변수가 같은 두 블랙홀은 비양자 역학을 사용하여 구별할 수 없는 것으로 알려져 있다. 이 성질은 블랙홀 밖에서도 볼 수 있다는 점에서 매우 특별하다고 볼 수 있다. 예를 들어, 대전된 블랙홀은 다른 대전된 물체와 마찬가지로 반발력을 발생시킨다. 블랙홀을 포함하는 구체의 질량을 구하는 방법은 가우스 법칙의 중력 근사치인 ADM 질량을 통해 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳에서도 찾을 수 있다. 각운동량의 경우 중력자력에 의한 프레임 인력을 이용하여 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳에서도 측정할 수 있다.

 

3. 블랙홀의 특성

물체가 블랙홀 쪽으로 떨어질 때, 물체의 모양이나 전하에 대한 정보는 블랙홀의 지평선을 따라 균일하게 분배되고, 그 정보는 블랙홀 밖의 관측자들에게 손실된다. 이러한 상황에서 지평선의 모습은 마찰 및 전기 저항과 탄성 및 전도성을 갖는 막과 매우 유사한 산란 구조이다. 시간 가역성을 가지고 있기 때문에 미시적 관점 수준에서 저항이나 마찰이 없는 전자기장과 같은 다른 분야 이론과 구별된다. 블랙홀은 3개의 변수에 의해서만 안정된 상태에 도달하는 것으로 간주되기 때문에, 블랙홀 내에서 초기 상태에 대한 정보를 잃지 않을 방법이 없다. 블랙홀의 전기장과 중력장은 블랙홀 안에 무엇이 들어갔는지에 대한 정보를 거의 제공하지 않는다고 한다. 트랜짓자와 중입자의 수와 같은 보존된 양자수 또한 예이다. 이 특성을 블랙홀 정보 역설이라고 합니다.