오늘은 우리가 종종 영화나 소설에서 접하게 되는, 그러나 그 실체와 기원에 대해서는 잘 알지 못하는 '블랙홀'에 대해 이야기하려고 합니다. 우리가 사는 어두운 우주 공간에서 가장 어두운 곳이라고도 할 수 있는 블랙홀, 오늘은 블랙홀의 정의와 탄생 특징 종류까지 함께 알아보도록 하겠습니다.
1. 블랙홀의 정의
블랙홀(Black hole)은 우주에서 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나갈 수 없는 공간의 영역을 말합니다. 그래서 블랙홀 주변에서는 아무런 빛이 보아지 않아서 '블랙(검은)' '홀(구멍)'이라고 부르게 되었습니다. 블랙홀 내부에서 빛이 우리에게 도달할 수 없기 때문에 블랙홀이 보이지 않게 됩니다.
2. 블랙홀의 탄생
블랙홀은 별이 연료를 소진하고 더 이상 중력을 상쇄할 충분한 에너지를 생성할 수 없을 때 발생할 수 있는 무거운 별의 붕괴에 의해 형성됩니다. 붕괴된 별은 밀도가 너무 높아 중력이 극도로 강해지고 블랙홀 주변에 들어오는 모든 것이 탈출할 수 없는 경계인 이벤트 호라이즌(Event Horizon)을 만듭니다.
블랙홀에는 항성 블랙홀, 중간 블랙홀, 초대질량 블랙홀 등 여러 유형이 있습니다. 항성 블랙홀은 무거운 별의 붕괴로 형성되며, 중간 블랙홀은 항성 블랙홀과 초대질량 블랙홀 사이의 질량을 가지는 블랙홀을 말합니다. 초대질량 블랙홀은 질량이 태양질량의 수십만 배에서 수십억 배에 이르는 가장 큰 유형의 블랙홀입니다. 거의 대부분의 은하의 중심에 초대질량 블랙홀이 있을 것으로 추정됩니다.
3. 블랙홀의 특징
블랙홀의 존재는 일반 상대성 이론에 의해 예측되었고, 이론적으로 계산된 결과에 따르면 블랙홀의 중심부인 '특이점'에서는 중력과 밀도가 무한대로 발산하며, 시간과 공간의 구조가 완전히 왜곡됩니다. 펜로즈의 특이점 정리에 따르면 블랙홀은 중력으로 완전히 붕괴되어 크기가 0이고 밀도와 시공간의 곡률이 무한대가 된 천체입니다. 블랙홀은 오직 질량, 각운동량, 전하에 의해서만 결정되며, 블랙홀이 되기 이전 천체의 다른 성질과는 아무런 관련이 없다고 여겨졌습니다. 이 3가지를 제외하면 블랙홀을 다른 블랙홀과 구분할 수 없기 때문에, 마치 대머리를 다른 대머리와 구분할 수 없는 것과 같다고 하여 "블랙홀은 털을 가지지 않는다"는 털 없음 정리가 나왔습니다.
4. 블랙홀의 종류
블랙홀에는 슈바르츠실트 블랙홀, 초대질량 블랙홀 등 다양한 유형이 있습니다. 슈바르츠실트 블랙홀은 질량 값만을 가지며, 각운동량과 전하가 0인 가장 단순한 블랙홀입니다. 특이점은 단순한 점 모양이며 사건의 지평선은 하나입니다. 각운동량을 갖지 않는, 즉 회전하지 않는 천체는 거의 없으므로 사실상 이론상으로만 존재하는 블랙홀이라 볼 수 있습니다. 우리가 블랙홀 자체를 직접 관찰하는 것은 불가능하지만, 주변의 천체나 물질이 블랙홀의 강력한 중력에 의해 흡수되는 현상 등을 통해 그 존재를 추론할 수 있습니다. 2019년에는 사건지평 망원경(EHT) 프로젝트를 통해 처음으로 블랙홀의 모습을 찍어내는 데 성공하였습니다.
결론
대부분의 별들은 생명 주기의 마지막에 거대한 폭발인 초신성 폭발을 겪거나 백색왜성으로 변하는 반면, 질량이 충분히 큰 별들은 이러한 과정 후에 중심부가 계속 수축하여 결국 블랙홀로 변합니다. 블랙홀은 그 존재만으로도 우주의 신비와 깊이를 보여주는 대표적인 천체입니다. 블랙홀은 아직까지 완전히 해결되지 않은 수많은 과학적 질문들을 제기하며, 우리에게 새로운 지식과 이해의 세계를 제공하며 끊임없이 묻고 있습니다.
오늘 포스팅에서는 블랙홀의 정의와 탄생 특징 종류까지 살펴보았습니다. 블랙홀이 단순히 어두운 구멍이라고만 생각했다면 오늘부터는 조금 다르게 바라볼 수 있을 거라 생각합니다. 다음에도 더욱 재미있는 주제로 돌아오겠습니다.