미스터리한 존재, 블랙홀에 대해

(그림:블랙홀이 흡수하고 있는 장면 [블랙홀] / ⓒ http://dachshund-of-dream.tistory.com, 블랙홀 그림 수정: 닥스훈트의 꿈)

미스테리한 존재, 블랙홀에 대해서

블랙홀은 발견된지 100년이 지났지만 여전히 미스테리한 존재로 남아있어요, 블랙홀이 지금까지도 수 많은 블랙홀이 발견되고 있지만, 여전히 블랙홀은 베일에 싸여 있는 비밀이 밝혀지지 안았죠. 은하계 중심부 마다 있는 그 블랙홀은 암흑의 중심으로서 엄청나게 큰 대질량의 블랙홀 같은 경우에는 태양계 수십개가 들어갈 정도라고 하니 그 크기가 감히 상상이 되지 않아요. 이 처럼 신비롭고 미스테리한 존재인 '블랙홀' 에 대해 알아볼려고 합니다. 

(사진: 은하중심에 존재하는 거대질량의 블랙홀 [블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

블랙홀이란? 

빛조차 빠져 나올수 없을 정도로 강력한 중력을 가지고 있는 천체인 블랙홀. 일반적으로 별은 비슷한 물질들이 중력에 의해 서로 모여 만들어 지는데. 그 별의 중심에서는 엄청난 양의 수소 폭탄이 폭발을 하고, 그 안에서 안으로 끌어당기고 바깥으로 내보내는 수소 폭탄이 서로 균형을 이루고 있어요. 그런데 이제 수소가 다 타버려서 별이 소멸하게 되면 어떻게 될까요? 그렇게 되면 이 중력을 막아줄 다른 힘이 없어지기 때문에 물질들은 안으로만 수축할려고 중력이 힘을 작용하면서 그 크기는 엄청나게 작아지게 될 꺼에요. 한 가지 예로, 우리가 사는 지구와 같은 행성도 수축하는 힘에 의해 손톱 크기 만큼 작아 질수 있는데요. 그런 자그마한 크기 안에 지구의 모든 물질이 수축하여 모여있다면, 그것을 잡고 있는 중력의 힘의 크기가 어마어마 해지겠죠. 따라서 별이 극단적인 수축을 일으켜서 밀도가 급격히 증가하고 증력은 엄청나게 커지게 된 천체를 블랙홀이라고 합니다.

(사진: 별이 생명을 다하게 되면서 초신성 폭발[블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov,사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

별이 생명을 다하게 되면 초신성 폭발로 이어지게 되고 이 과정에서 철보다 무거운 원소가 우주에 생겨나게 되죠. 이 과정에서 별이 생기거나 아니면 더 무겁다면 별의 핵은 블랙홀이 만드는 것이에요. 실제로 우리가 눈으로 보는 블랙홀의 모습은 엄밀하게 말하면 블랙홀이 아니라 사건 지평선이죠. 이 곳을 통과 하기 위해서는 빛보다 더 빨라야 하는데 통과는 거의 불가능 한데요. 바로 이 지평선 상에는 거대한 중력에 의해 빛조차 통과할수 없기 때문에 칡흑 같이 어둡고, 블랙홀이란 이름이 붙어지게 된 이유입니다.

(사진: 별이 생명을 다하게 되면서 초신성 폭발[초신성의 폭발] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

우주에 존재하는 블랙홀들은 대부분 별 질량 블랙홀로, 태양보다 3~4배 더 무거운데요. 태양보다 약 30배 이상 무거운 별이 폭발하면서 죽음을 맞이하게 되면서 폭발 후  남은 중심핵이 바로 이러한 블랙홀이 이에요. 블랙홀로 생을 마감하게 되는 매우 무거운 별들, 그 별들 수명도 짧은데 수는 태양과 같이 가벼운 별들의 수보다 훨씬 적지만, 그래도 우주적인 규모로 봤을 때 흔하게 존재해요. 태양계가 속한 우리은하에도 별 질량 블랙홀이 수천 개 존재한다고, 천문학자들은 그렇게 추정한다고 합니다.

(사진: 흡수하고 있는 블랙홀 [블랙홀] / ⓒpics-about-space.com, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

블랙홀에 들어간다면?

블랙홀 안에서는 시간흐름이 다른데요. 외부에서는 다가갈수록 속도가 느려지는 것처럼 보일 수 있어요. 그런데 마치 엄청나게 빠른 회전속도로 도는 헬리콥터가 느리게 회전하는 것처럼 보여지는 원리 같다고 할 수 있어요. 하지만 블랙홀 안으로 빨려 들어가게 되면 주위는 미래를 보는 것 처럼 엄청난 속도로 시간이 흐르게 되고, 여기 까지가 현재의 과학기술로 유추해 볼 수 있는 정도고 그 다음엔 어떤 일이 벌어질지 그건 아무도 모르는 일입니다.

그렇치만 확실하게 이야기할 수 있는 2가지는, 그럴일은 없겠지만 블랙홀에 들어가게 되면 곧바로사망하게 된다는 거죠.  엄청난 중력에 의해 블랙홀안의 공간은 왜곡되어 있기 때문에 사건 지평선을 넘게 되면 한 방향으로만 갈 수 밖에 없어요. 마치 들어가는 문은 있어도 나오는 문이 없듯 상황이 되는 거죠. 블랙홀은 모든 무게가 한점에 집중되어 있어서 불과 1m 정도의 간격에도 수백만배 이상이 차이가 나는 중력을 경험하게 됩니다. 그렇게 되면 우리의 엿가락 처럼 늘어나고 세포까지 찢어지게 되도 이미 사망하게 되다는 것이죠. 바로 이 지평선을 넘는 순간에 불벼락이라는 벽에 부딪혀 온몸이 순식간에 사라져 버리게 되는 것이죠.

(사진: 허블망원경 가시광선 거대한 블랙홀, 지구에서 3000만광년 떨어진 [블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

(사진: 찬드라X 선망원경이 찍은 솜브레로은하의 X선 블랙홀 뜨거운 가스로 [블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

허블우주망원경 가시광선이 찍은 지구에서 3000만 광년 떨어져 있는 솜그레이로 은하의 모습. 거대한 팽대부 중심에 태양질량의 10억배에 이르는 거대한 질량에 블랙홀

(사진: 흡수하고 있는 블랙홀 [블랙홀] / ⓒpics-about-space.com, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

퀘이사 흡수하고 있는 블랙홀

거대질량 블랙홀의 존재는, 1962년 '퀘이사'라고 하는 특이 천체가 발견되면서 알려지기 시작했는데요. 별은 태양처럼 중심부에서 일어나는 핵융합 반응을 에너지원으로 하면서 빛나는 천체이므로 전파 영역에서는 빛. 전자기파 매우 미약하다는 것이 상식입니다. 그러니 전파 영역에서 많은 빛이 발생하는 천체란 매우 신비한 존재였죠.

1962년 미국 칼텍의 마르텐 슈미트와 동료들은 별처럼 보이는 3C273, 하는 전파광원의 정체를 밝히기 위해 그 천체의 스펙트럼을 관측해 분석했어요. 그 결과 3C273은 우리로 부터 매우 빠른 속도로 멀어지고 있는 , 19억 광년이나 먼 곳에 있는 천체임을 밝혀냈죠. 이를 계기로 별처럼 보이지만 별이 아닌, 전파를 많이 내면서 아주 멀리 있는 특이 천체에 퀘이사라고 이름을 붙였죠.

(사진: 허블우주망원경이 촬영한 퀘이사 ,3C273.[3C273] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

허블우주망원경이 촬영한 퀘이사 3C273, 퀘이사가 이렇게 멀리 있는데도 그 겉보기 밝기가 상당하는 것은 퀘이사들의 실제 광도가 매우 밝다는 뜻이 되는데요. 지구에서 퀘이사까지 알려진 거리와 겉보기 밝기로 부터 퀘이사의 밝기를 추정해보면 퀘이사 보통 은하보다 수십 배 더 밝다는 사실을 알 수 있어요.

반면 퀘이사 광원의 크기는 엄청나게 작다는 사실도 알려졌는데요. 3C273의 크기는 광속으로 1개월 정도면 갈 수 있는 거리인 약 1광월인데요. 우리은하의 반경이 약 5만 광년이라는 점을 고려할 때 1광월이라는 크기는 60만분의 1에 불과합니다. 이렇게 작은 지역에서 매우 밝은 빛이 나올수 있는 경우는 거대질량 블랙홀 주변에 다량의 가스가 떨어지면서 그 마찰력 때문에 고온으로 빛을 내는 경우밖에 없죠. 별들을 그렇게 좁은 블랙홀의 존재에 대한 유력한 증거라고 할 수 있겠는데요. 거대질량 블랙홀 주변으로 떨어지는 물질은 강착원반이라고 하는 원반 모양을 이루면서 빛을  내며, 이렇게 하면서 거대질량 블랙홀은 덩치를 키워 나가게 되는 거죠.

(사진: 초기 우주 거대질량 블랙홀의 미스테리 [거대질량 블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

초기우주 거대질량, 블랙홀의 미스테리

거대질량 블랙홀의 성장과정을 이해하려면 먼 과거에 이들이 어떻게 성장했는 지를 직접 살펴보면 되는데, 타임머신을 타고 과거로 가야할 것 같아 불가능해 보이는 그러한 연구가 다행히도 천문학 관측을 통해 이뤄질 수 있어요. 빛의 속도는 유한하기 때문에 먼 곳에 있는 천체에서 오는 빛은 아주 오랜 시간이 지난 후에 지구에 도달하게 되는데요. 우리가 50광년 떨어진 곳에 있는 천체를 본다는 것은 우주의 아주 옛날 모습을 본다는 뜻이 되는 거죠.

그런데 멀리 있는 거대질량 블랙홀을 관측하기 위해서는 그것이 매우 밝게 빛나고 있어야 합니다. 앞서 언급했던 퀘이사라는 천체가 발로 매우 밝게 빛나고 있는 거대질량 블랙홀이죠. 지금까지 관측된 퀘이사들 중 가장 멀리 있는 것은 2010년 영국의 한 연구그룹이 발표한 130억 광년 떨어진 곳에 있는 퀘이사입니다. 현재 우주의 나이가 137억 년이니, 우리는 우주의 나이 불과 7억 년인 시점에 존재했던 퀘이사 모습을 보는 것이죠

(사진: 거대질량 블랙홀 탄생 시나리오 [블랙홀] / ⓒnobel.or.kr, 블랙홀 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

거대질량 블랙홀탄생의 시나리오

거대질량 블랙홀이 어떻게 생겨 났는 가는 여전히 미스테리. 그 시발점이 되는 씨앗 블랙홀의 생성에 관한 몇가지 가설

태양질량의 수십배인 별의 최후인 별 질량 블랙홀에 물질이 유입되어 거대질량 블랙홀이 생겻어요. 그러다 이 과정은 시간이 너무 걸려 초기우주에 이미 거대질량 블랙홀이 있다는 관측을 설명하지 못한다고 해요.

초기우주에는 태양질량의 수백 배인 거대한 별이 있었고, 그 결과 태양보다 100배 이상 무거운 블랙홀이 생겼는데요. 그 뒤 물질이 유입되어 거대질량 블랙홀이 되었습니다.

초기우주에서 거대한 가스가 급격히 수축되면서 바로 태양질량의 수만 배인, 블랙홀이 만들어졌죠. 그 뒤 물질이 유입되어 거대질량에 블랙홀이 되었습니다.

그런데 태양질량의 10억 배나 되는 블랙홀이 이미 초기 우주에서 존재한다는 사실은 또 다른 수수깨끼를 던져주고 있죠. 현재까지 천문학자들이 알고 있는 블랙홀을 만들어 낼 수 있는 방법은 무거운 별의 죽음 밖에 없으며 이렇게 생긴 블랙홀의 질량은 태양질량의 3~10배에 불과한데, 이런 블랙홀이 태양질량의 10억 배까지 자라기 위해서는 주위의 물질들을 급속히 빨아들여야 가능한데, 아무리 블랙홀이라고 한들 주어진 시간 내에 빨아들일 수 있는 물질의 양에는 한계가 있어요. 

(그림: 은하 합쳐질 때가 덩치 키우는 [블랙홀] / ⓒhttp://dachshund-of-dream.tistory.com, 블랙홀 )

은하 합쳐질 때가 덩치를 키우는 블랙홀

거대질량 블랙홀이 덩치를 키우는 또 하나의 메커니즘은 두 은하가 하나로 합쳐지는 은하합병인데요. 작은 은하 두개가 만나면 블랙홀이 서로 회전하면서 가까워져 결국은 하나로 합쳐져 덩치를 키우며, 이 과정에서 물질 유입도 활발히 일어납니다.

블랙홀이 거대해지기 위해 블랙홀을 향하여 물질이 꾸준히 떨어져야 하는데, 그러나 블랙홀 바로 옆이 아니면 아무리 블랙홀이라 고 한들 혼자만의 힘으로는 주변의 물질을 자기에게 끌어들일 수가 없는데. 따라서 블랙홀 주변으로 물질이 몰릴 수 있게 하는 어떤 외부적인 원인이 있어야 하는데 유력한 것이 은하와 은하사이의 합병 현상입니다. 은하와 은하는 유력한 것이 은하와 은하는 충돌할 수 있으며 충돌과정에서 은하 두개가 합쳐지면서 새로이 더 큰 은하가 탄생하는 과정을 은하합병이라고 합니다.

은하합병이 일어나게 되면 원래 안정적인 퀘도를 유지하고 있었던 가스와 별들이 궤도를 이탈하고. 이런 가스와 별들은 새로이 탄생한 은하의 중심부에 몰려들어 거대질량 블랙홀의 성장을 위한 먹이가 된다는 것이 이론으로 예측되었고요. 실제로 그러한 일이 일어나고 있는지 어떻게 알 수 있을까? 급격한 블랙홀 성장이 일어나고 있는 퀘이사와 같은 천체에서 은하합병의 흔적이 다른 은하들에 비해 더 빈번하게 발견된다면 은하합병이 거대질량 성장에 기여하고 있다고 볼 수 있을 것입니다.

(사진: 허블우주망원경이 찍은 H1743-322[블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

H1743-322라 이름을 붙인 블랙홀 태양의 10배 크기 밖에 안되며 지구로 부터 28,000광년 떨어진 존재입니다. 

마이크로 블랙홀

크기가 기본입자 수준으로 작은 블랙홀

이러한 크기의 블랙홀들을 호킹 복사에 의해 순식간에 증발해버릴 것이기 때문에 수명은 상대적으로 매우 짧은데요. 질량이 큰 마이크로 블랙홀들은 상대적으로 긴 시간을 버틸 수 있죠. 블랙홀이 호킹 복사에 의해 증발되는 속도는 질량이 작을 수록 빨라지며 어느 정도질량 이하로 내려가게 되면 블랙홀은 감마선을 방출하며 격렬한 폭발을 일으키고 소멸하게 됩니다. 질량이 100톤에 이르럿을 때 블랙홀이 완전히 소멸하는 데 걸리는 시간은 0.1초도 되지 않는데요. 이 시간 사이에 100톤의 질량이 완전히 에너지로 변환되기 때문에 그 폭발력은 소수 폭발 수십만 개에 맞먹는 것이죠.

(사진: 페르미 감마선 망원경 마이크로 블랙홀 [마이크로 블랙홀 ] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

빅뱅이 일어났을 때 국소적으로 질량이 밀집되어 마이크로 블랙홀이 탄생했을 가능성이 있어요.하지만 우주 탄생 이후 137억년이, 지난 현재까지 소멸하지 않은 블랙홀이 남아 있을지는 미지수입니다. 현재도 페르미 감마선 만원경 등이 마이크로 블랙홀의 붕괴로 일어나는 감마선 방출을 검출하려고 있으나 아직까지 이러한 신호는 발견되지 않았어요. 이 정도 크기의 블랙홀들은 별, 행성과 같이 일반적인 물질로 이루어진 천체와 출돌할 경우 상대를 그냥 꿇고 지나가 버린 통구스카 대폭발의 범인으로 지목되기도 했죠.

(사진: 은하중심에 존재하는 거대질량의 블랙홀. GW150914  [블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

항상 블랙홀 

흔히 말하는 블랙홀이 바로 항상 블랙홀

질량이 큰 항성이 중력 불괴하며 생성되는데 현재까지 관측된 블랙홀 중 가장 큰 것은 중력파 관측으로 발견된 GW150914, 로 질량은 태양의 36배 였지만, 쌍성과 합쳐졌으므로 62배가 되었을 것으로 추측됩니다.

(사진:초대질량 블랙홀보다 작고 항성 블랙홀.  [항상 블랙홀] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

중간 질량 블랙홀

'초대질량블랙홀'보다 작고 '항상 블랙홀'보다 큰 중간급 블랙홀

항상 질량 블랙홀과 초대질량 블랙홀에 비해 거의 발견이 되지 않아 그 동안 천문하계의 미싱 링크취급을 받아왔죠. 이전에는 후보들은 존재했으나 2010년대에 들어서 중간 질량 블랙홀의 존재를 지지하는 확실한 증거들이 나오는 중, 몇몇 구상성단들의 중심부에는 중간 질량 블랙홀이 있을 것으로 추정되며, 이를 실제로 구상성단 47 Tuc에서 태양의 2,200배의 질량을 가진 중간 질량 블랙홀이 발견된걸로 증명 되었어요.

중간 질량 블랙홀의 형성 원인은 아직 명확하지 않았으나 매우 거대한 항상의 중력 붕괴에 의해 형성된 항상 블랙홀의 일종으로 여겨지기도 하고, 은하 중심에서 형성되었으나 극단적인 조건에 처하지 않아 초대질량 블랙홀이 되지 못한 것이라는 의견도 있어요. 항성 블랙홀과 기타 천체가 합쳐져서 생성되었거나, 성당내의 거대한 항성들이 충돌하고 붕괴하여 형성되었다는 시나리오가 유력했죠.

(사진:초대질량 블랙홀 가장거대한 블랙홀 S5 0014+81.  [초대질량 블랙홀 S5 0014+81] / ⓒwww.nasa.gov, 사진 편집: 닥스훈트의 꿈)

초대질량 초대형 블랙홀

지금까지 관측된 가장 거대한 블랙홀 종류로, 질량이 태양의 10만~100억 배에 달합니다.

우리 은하를 포함하여 거의 모든 은하가 중심부에 초대질량 블랙홀을 가지고 있으며, 은하의 생성에 초대질량 블랙홀이 깊숙히 관계한 것 같은 상황 증거들이 나오고 있어요. 참고로 우리 은하의 중심에는 태양 질량의 431만 배에 달하는 상상할수없는 초대형 이었어요 하지만 우리 은하 중심에 있는 블랙홀도 우주 전체 스케일에서 보면 어린아이에 불과한, 2008년에 확인된, 게자리의 

OJ 287 블랙홀은 태양질량의 180억 배나 되며, 그 주위를 태양 질량의 1억배나 되는 블랙홀이 공전하고 있어요. 가장 큰 녀석은 S5 0014+81인데 추정되는 질량이 태양의 400억배나되는 우리 은하 별들의 질량을 모두 합친 것과 비슷한 수준. 세페우지자리에 있고, 밝기는 +16.5 그에 맞게 사건의 지평선의 크기도 어마어마해서 직경이 기로 보일 것이죠. 현재까지 발견된 가장 큰 별 UY scuti 이렇게 거대한 크기에 블랙홀이 어떻게 생성되었는지, 아직 명확하게 밝혀진 바가 없어요.

또 초대형 질량에 블랙홀은 질량이 작은 블랙홀과 구분되는 특징이 있었는 데, 바로 밀도가 낮다는 것을 사건의 지평선이 워낙 크기 때문에 사건의 지평선 안에 들어가는 공간으로 블랙홀의 질량을 나누며 지구 대기보다 밀도가 낮을 수도 있는데 이는 사건의 지평선이 블랙홀의 질량에 정비례해서 멀어지기 때문에 생기는 현상입니다. 예로 질량이 2배로 커지면 사건의 지평선 내부 공간은 8배가 되고 이때 밀도는 오히려 4배 낮아지게 되고 블랙홀의 중심으로 향하는 우주 비행사는 사건의 지평선 안쪽으로 상당히 깊이 들어갈 때까지 스파게티 처럼 잡아 늘려지지 않고, 물론 중심의 특이점 주변은 다른 블랙홀과 마찬가지로 밀도가 높아지죠.

비록 우리는 그 장면을 보지 못하겠지만, 먼 미래 우리 은하에도 무수히 많은 젊은 별이 탄생할지, 블랙홀이 생길지 모르는 일이지만, 어떻게 바뀔지 기대가 됩니다.