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검은 마귀, 블랙홀이 궁금하다!

[연변일보] | 발행시간: 2018.03.06일 15:32

태양 질량의 30배가 넘는 무거운 별은 중력 붕괴형 초신성 폭발을 일으켰을 때 중심핵이 중성자별로서 존재할 수 있는 한계를 넘어서서 붕괴하며 결국은 블랙홀이 된다.

블랙홀의 내부에는 밀도와 중력이 무한대가 되는 ‘특이점’이 존재하는 것으로 알려져 있다. 그래서 중력의 우물은 무한대로 깊어지며 블랙홀의 중심부에서 일정거리까지 접근하면 탈출 속도가 광속을 넘어선다. 이 거리를 ‘슈바르츠실트 반경’이라고 부른다. 슈바르츠실트 반경이 만드는 구면이 ‘사건의 지평선’(event horizon)이다. 설령 이 내부에 광원이 있다 해도 빛은 결코 밖으로 나오지 못한다.

백색왜성과 중성자별, 블랙홀을 합쳐서 ‘고밀도 천체’라고 부른다. 평균적인 백색왜성은 태양 정도의 질량이 지구 크기까지 압축된 것이다. 중성자별은 지구 크기의 백색왜성에서 다시 1000분의 1 정도까지 압축이 된다. 그래서 일반적인 중성자별은 지름이 10킬로미터 정도밖에 안 된다. 그리고 이것이 더욱 찌부러져서 반경이 사건의 지평선 이하가 된 것이 블랙홀이다. 블랙홀의 경우 질량은 남지만 지름 등 다른 물리량이 소멸해버린다.

블랙홀이라는 명칭이 최초로 사용된 시기는 1967년이다. 처음에 블랙홀은 리론상의 존재에 불과했다. 그러나 블랙홀에 끌어당겨진 물질이 고속 회전하면서 빠져들 때 강한 엑스선을 방사하는 례가 확인됐고 현재는 상당수의 블랙홀이 발견됐다. 참고로 최초의 발견 사례는 백조자리의 X-1이다. 태양의 30배나 되는 질량을 지닌 거성에서 빛을 발하지 않는 별로 대량의 가스가 흘러들고 있었다.

블랙홀을 향해 흘러드는 물질이 블랙홀의 주위에 만드는 원반 모양의 회전체를 ‘강착 원반’이라고 부른다. 강착 원반에서 나오는 물질이나 강도를 해석하면 해당 블랙홀과 관련한 많은 정보를 얻을 수 있다.

우리의 은하계는 물론이고 생긴 지 일정 기간이 지난 은하의 중심 부분에는 거의 례외 없이 거대한 블랙홀이 존재한다는 사실도 판명되였다.

은하끼리 충돌해 더 큰 은하로 융합되는 경우가 있는데 이때 중심부에 있는 거대 블랙홀끼리도 융합해 더욱 거대해진다. 은하 중심부에 있는 거대 질량의 블랙홀을 ‘초대질량 블랙홀’이라고 부른다. 은하 중심부에 있는 초대질량 블랙홀은 주위의 물질뿐만 아니라 빛을 내고 있는 항성까지도 집어삼킬 때가 있다. 그리고 더욱 크게 성장, 진화해간다.

블랙홀의 모체가 되는 항성은 일반적으로 자전을 한다. 규칙적으로 전자기 펄스를 방출한다고 해서 ‘펄서’라는 이름이 붙은 천체의 정체가 강한 자기장을 지니고 고속으로 회전하는 중성자별이라는 사실은 널리 알려져 있는데 펄서의 자전 속도가 빠른 리유는 지름이 컸던 항성이 각운동량을 유지한 채로 작아졌기 때문이다. 이것은 피겨스케이팅 선수가 팔을 벌린 상태로 돌다가 팔을 몸 쪽으로 모으는 순간 회전 속도가 빨라지는 것과 같은 원리다.

과거에는 블랙홀을 영원불멸의 존재로 생각했지만 조금씩 질량을 잃어 ‘증발’할 가능성이 제기되었다. 1974년 스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 이끌어낸 리론이다.

우리가 살고 있는 시공간에서는 언듯 아무 일도 일어나고 있지 않은 것처럼 보인다. 그러나 폴 디랙(Paul Dirac, 1902~1984)의 리론에 립각한 량자론에 따르면 미시 령역에서는 물질과 반물질이 만나서 에너지를 방출하며 소멸하는 ‘쌍소멸’과 에너지에서 물질과 반물질이 한 세트로 만들어지는 ‘쌍생성’이 끊임없이 일어나고 있다고 한다.

호킹은 블랙홀과 아주 가까운 곳에서도 이런 쌍생성이 일어난다고 주장했다. 이때 탄생한 립자와 반립자 중에서 립자는 멀리 날아가 사라지고 반립자만이 블랙홀로 떨어진다면 반립자는 블랙홀의 내부에서 립자와 충돌해 쌍소멸할 것이다. 외부에서 보면 이것은 마치 블랙홀에서 물질이 도망친 것처럼 보인다. 실제로 이런 일이 반복되면서 조금씩 블랙홀은 줄어든다. 블랙홀은 영원하지 않으며 최후가 있는 존재임이 증명된 것이다.

멀고 먼 미래가 되면 블랙홀은 증발할 테지만 은하 중심부에 있는 초거대 블랙홀이 증발하기까지는 영겁의 시간이 걸릴 것이다. 극소수의 소립자만이 날아다니는 우주에 블랙홀이 함정처럼 존재한다는 외로운 우주의 종말도 예상할 수 있다.

《과학리론》

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