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[블랙홀 첫 관측]블랙홀이란 무엇인가

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2019년 04월 10일 22:13 프린트하기

유럽남방천문대(ESO)가 10일 오후 10시 ‘사건의 지평선 망원경(EHT)’ 프로젝트의 첫 관측 결과를 발표했다. 천재 물리학자 알베르트 아인슈타인이 1915년 일반상대성이론에서 빛에 중력이 영향을 미친다는 사실을 예고하며 블랙홀의 존재 가능성을 보인 지 100년이 넘어서야 첫 이미지가 공개되는 것이다. 블랙홀은 관측이 어렵다 보니 여전히 베일에 가려져 있는 점이 많다. 블랙홀에 대해 알아두면 좋을 최소한의 정보들을 문답 형식으로 정리했다.

 

① 블랙홀은 무엇인가

 

블랙홀은 중력의 당기는 힘이 너무 강해서 빛을 포함한 모든 전자기파가 빠져나가지 못하는 우주 공간이다. 물질은 만유인력에 의해 모든 다른 물질을 잡아당기는 힘을 낸다. 모든 물질은 중력을 갖고 있다. 우주 공간에서 물질이 어떠한 이유로든 작은 공간에 압축되면 강한 중력이 발생해 주변의 물질을 당기게 되고, 점점 커진다. 이렇게 물질이 많이 압축돼 중력이 빛을 빨아들일 정도가 되면 블랙홀이 된다.

 

② 블랙홀은 얼마나 클까

 

4월 11일 첫 관측된 M87 블랙홀과 태양계와 크기 비교. 미국과학재단 (출처 EHT)
4월 11일 첫 관측된 M87 블랙홀과 태양계와 크기 비교. 미국과학재단 (출처 EHT)

블랙홀은 질량과 크기에 따라 원시 블랙홀, 항성 블랙홀, 초대질량 블랙홀 세 가지 종류로 나눈다. 원시 블랙홀이 가장 작다. 하나의 원자만큼 작으나 속에 산 하나의 질량이 있다고 보면 된다. 항성 블랙홀은 중간 크기의 블랙홀로 가장 흔한 유형이다. 태양의 질량보다 수십 배에서 수천 배 정도 무겁다. 은하계 내에 수십 개가 존재한다.

 

가장 큰 블랙홀은 초대질량 블랙홀이다. 이 블랙홀의 질량은 최소 태양 수십만 개에서 수십억 배에 이른다. 큰 은하계는 중심에 초질량 블랙홀을 가지는 것으로 알려졌다. 블랙홀의 크기는 은하계의 크기 및 질량과 관련이 있는 것으로 추측된다. 태양계가 속한 은하계 중심에 있는 초거대 블랙홀은 궁수자리 A*이다. 대략 태양 430만 개와 같은 질량을 가지고 있고 수성과 태양 사이 거리 길이와 비슷한 지름을 가지는 것으로 추정된다.


③ 블랙홀은 어떻게 형성되나

 

원시 블랙홀은 빅뱅 직후에 형성된 것으로 추정된다. 우주가 폭발하면서 팽창하는 동안 존재하는 물질 일부의 밀도가 극에 달하며 형성됐다는 것이다. 항성 블랙홀은 큰 별의 생애 마지막인 사멸 과정에서 중력으로 인해 붕괴하면서 탄생한다. 이때 붕괴로 인해 항성이 폭발을 일으켜 며칠간 밝기가 100만 배 이상 세지는 초신성 현상이 나타난다.

 

초대질량 블랙홀은 아직 그 기원에 대한 의견이 분분하다. 다만 블랙홀이 위치한 은하와 동시에 형성됐다고 본다. 태양 질량의 수십 배에서 수천 배의 블랙홀이 별 폭발로 형성돼 주변 물질을 빨아들이며 성장했을 것이라는 설, 우주 초기 물질이 모였으나 별이 형성되지 못하고 붕괴하면서 형성된 항성 블랙홀이 커진 결과라는 설이 있다.

 

④ 블랙홀이 이름 그대로 ‘검은색’이라면 어떻게 존재한다는 것을 알 수 있을까

 

찬드라 X선으로 찍은 은하의 중심에 있는 거대질량 블랙홀 궁수자리 A*. 블랙홀은 X선 플레어를 방출한다.
찬드라 X선으로 찍은 은하의 중심에 있는 거대질량 블랙홀 궁수자리 A*. 블랙홀은 X선 플레어를 방출한다. 네이처

블랙홀은 모든 빛을 끌어당기는 강한 중력 때문에 시각적으로 볼 수 없다. 대신 블랙홀의 강한 중력이 주변의 별과 가스에 미치는 영향을 통해 간접적으로 볼 수 있다. 만약 별이 우주 속 특정 지점을 돌고 있는데 여기에 영향을 미치는 다른 별이 없다면 블랙홀 주변을 도는 것으로 추측한다. 이 별의 움직임을 연구하면 블랙홀의 존재를 밝힐 수 있다.

 

블랙홀의 중력에 의해 블랙홀 주변 항성의 대기 속 가스가 뽑혀나갈 수도 있다. 이때 블랙홀은 주변에 가스 물질로 이뤄진 디스크를 만들 수 있는데 이를 강착원반이라고 한다. 강착원반이 블랙홀로 빨려 들어가며 높은 온도로 가열되는데 이때 가스는 모든 방향으로 X선을 방출한다. 전파망원경은 주로 이 X선을 측정한다. X선이 주는 정보는 블랙홀의 특성을 파악하는 연구자료로 쓰인다.


⑤ 블랙홀이 지구를 파괴할 수 있을까

 

How a black hole would destroy the Earth

 

블랙홀은 로봇청소기가 집을 돌아다니듯 우주를 청소하기 위해 돌아다니지는 않는다. 블랙홀은 단지 우주의 다른 물체들처럼 중력의 법칙을 따를 뿐이다. 블랙홀이 지구에 영향을 미치려면 태양계에 매우 가까이 있어야 하는데 현재까지 관측된 바로는 가능성이 거의 없다. 당장 근처에 블랙홀이 있다고 해도 끌려가는 것은 아니다. 대신 중력 법칙에 의해 태양을 돌듯 블랙홀 주변을 돈다. 

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