블랙홀

 

90년대 관측 기술의 발달과 더불어 센타우루스자리 MCG-6-30-15 라는 은하를 X선으로 관측 한 결과

 

블랙홀이라고 밖에 생각할 수 없는 '중력 적색 이동'이 관측되었고

 

가스운동을 분석한 결과 M87의 중심부 60광년 영역에 태양의 24억배의 질량이 모여있음이 관측되는 등

 

블랙홀의 존재에 대한 유력한 증거들은 꾸준히 발견됐다

 

 

 

 

자라나라 머리머리 - 머머리 정리

 

블랙홀을 결정짓는 요소 (머리카락)은 단 3가지다

 

1.질량 2.전하 3.회전(각운동량)

 

질량은 당연히 있으니까 경우의 수는 네 가지가 된다

 

슈바르츠실트 블랙홀은 회전하지도 않고 전하도 띄지 않는 블랙홀이다

 

슈바르츠실트가 일반 상대성 이론을 이용해 별의 내부와 표면 근처의 중력을 계산할 때

 

계산을 쉽게 하려고 가정한 조건일 뿐, 모든 별들이 자전하고 있으므로

 

블랙홀로 붕괴된 후에도 자전하고 있을 것이라고 보는것이 자연스럽다

 

(photon sphere는 광자가 딲 원운동하게 되는 영역이며

 

위의 경우에 한정해 항상 슈바르츠실트 반지름의 1.5배가 된다)

 

그리하여 전하는 없지만 회전하는 블랙홀은 커 블랙홀이다

 

커 블랙홀도 마찬가지의 구모양을 띄고 있다

 

그런데 일반상대성 이론에 의해 예측된 결과에 의하면,

 

무거운 물체가 회전할 때 주위의 시공간자체가 회전방향으로 이끌린다

 

시공간의 이끌림이 심해 빛마저도 이 시공간의 이끌림을 따라 회전해야만 하는 곳이 에르고 영역이다

 

그리고 회전때문에 특이점이 고리 모양이 된다고 알려져있다

 

전하를 띄고 회전은 하지 않는다면 라이스터-노르트슈트룀 블랙홀이라 부른다

 

외부지평면 내에서는 빛초차 바깥 방향으로 운동할 수 없다고 했지만

 

내부지평면 안쪽에서는 전하가 밀어내는 힘 때문에 중력이 상쇄되어 오히려 바깥으로 움직일 수 있다

 

그러나 이런 반발이 블랙홀로 붕괴되는 것 자체를 막아버리기 때문에

 

현실적으로 불가능 하다고 생각된다

 

여기에 회전이 추가되면 커-뉴면 블랙홀이된다

 

어찌됐든 우주에서 가장 일반 적인 블랙홀은

 

'회전하고 전하는 없는' 커 블랙홀이라고 추정된다

 

 

 블랙홀의 사건지평면에서

 

중력은 거리가 멀어질수록 약해지기 때문에 한 물체 내에서도

 

가까운 곳과 먼 곳에 미치는 영향이 다르다

 

 이때문에 양쪽에서 잡아당기는 듯한 힘을 느끼게된다

 

물체의 양 끝에서 느끼는 중력 차이가 조석력이며 거리의 세제곱에 반비례한다 

 

즉, 거리에 매우 민감한 힘이기 때문에 대형블랙홀 처럼 지평면의 거리가 먼 경우 조석력은 매우 작게된다

 

 가장 단순한 블랙홀인 슈바르츠실트 블랙홀을 기준으로 계산한 결과에 의하면

 

 반지름이 3킬로미터인 태양정도 질량의 소형 블랙홀의 경우 사건지평면에서의 조석력은 지구 표면의 조석력의 1조배나 된다

 

반면 은하 중심에 있는 거대 블랙홀이라고 가정했을 때는 오히려

 

사건지평면에서의 조석력이 지구표면에서의 1000만분의 1정도가 된다

 

중력은 엄청나게 강한데도 조석력이 작기 때문에 아무 느낌도 없다

 

그러나 어떤 블랙홀이라도 특이점 근처에서는 조석력이 너무 커서 뒤지는게 답이다

 

 

회전하고 있는 블랙홀의 근처에서

 

회전하고 있는 커 블랙홀에 가까이 가면 어떻게 될까

 

아까도 이야기 했듯이 무거운 물체가 회전하면 시공간도 따라서 이끌린다

 

이때문에 회전하는 커 블랙홀의 중심으로 똑바로 나아가려해도 블랙홀을 중심으로 차츰 회전하게 된다

 

이를 렌제-티링 효과라고 한다

 

회전하지 않는 슈바르츠실트 블랙홀의 경우 사건지평면에서 공간 자체가 블랙홀을 향해 떨어지는 속도가 광속도다

 

회전하는 커 블랙홀의 경우 이 효과에 회전 속도까지 더해서 공간 자체의 운동속도가 광속을 넘어버린다

 

이것이 에르고 영역이다

 

이때문에 광속보다 빠르지 않은 우리는 이 효과를 이겨낼 수 없기 때문에

 

블랙홀 내부에서 어떤 방향으로든 움직여야 하고

 

결국은 블랙홀 주위를 회전하면서 고리모양의 특이점으로 떨어진다

 

고리모양의 특이점이라면 통과해 버릴 수도 있지 않을까

 

이 통로를 통해 다른 우주로 갈 수 있을지 아직은 알지 못한다

 

 

미니블랙홀과 미래

 

 

스티븐 호킹 박사에 의하면 빅뱅이 일어난 지 10-44초 정도 지났을 때

 

물질의 밀도가 극단적으로 높은 부분에서 미니 블랙홀이 생겼을 것이라고 이야기한다

 

계산에 의하면, 이중에서 질량이 10억톤이며 반지름이 10-13cm이상인 블랙홀의 경우 아직도 남아있을 가능성이 있다고 한다

 

우연히 지구 중심에 들어온다고 하면 지구가 사라지는데는 3억년이 걸린다고 예상된다

 

이런 골칫거리도 시간앞에서 사라지기 마련이다

 

양자론에 의하면 진공이라고 하는 것 조차 항상 불안정하게 요동치고 있으며

 

입자와 반입자가 난데없이 생성되거나  햡쳐져 사라지기를 반복하고있다

 

블랙홀 근처에서 입자와 반입자가 쌍생성될때

 

 하나는 끌려가버리고 나머지는  튕겨나갈수도 있다

 

이것이 마치 블랙홀에서 무언가를 조금씩 방출하는 듯한 효과를 내기때문에 블랙홀이 에너지를 잃게 된다

 

질량이 어느정도 큰 블랙홀이라면, 예컨데 태양정도의 블랙홀이라면

 

모두 증발하는데 우주나이 137억년의 1054배가 걸린며

 

심지어 10억톤짜리 양성자 크기의 블랙홀 조차도 소멸하는데 우주나이 만큼 걸린다고 한다

 

블랙홀의 질량이 작을수록 증발 속도는 빨라진다고 알려져있으며

 

 마지막 1000톤의 블랙홀이 증발하는데는 단 1초밖에 걸리지 않는다고 한다

 

즉 대폭발을 일으키는것이다 

 

화이트홀

 

 

 블랙홀과 반대로 무엇이든 뱉어내는 것으로 알려진 화이트 홀에 대해 생각해보자

 

 미국의 더글라스 어들리 박사가 1974년에 발표하고 상대성 이론 전문가들이 상세하게 연구한 내용에 의하면

 

화이트홀이 존재한다고 해도 관측은 할 수 없을것 같다고 한다

 

흔히 무엇이든 뱉어내는 것으로 알려져 있어  화이트 홀은 밀어내는 힘(척력)을 가지고 있을 것 같지만

 

이론적으로는 당기는 힘(인력)을 가지고 있으며 심지어 힘의 크기가 블랙홀과 동일하다

 

강하게 끌어당기면서 뱉어내고 있다는 모순적인 성질때문에

 

뱉어낸 물질과 근처에 있던 물질들이 끌려가지도 못하고 달아나지도 못하는 상황에 처한다

 

이 때문에 물질들이 화이트 홀 표면에 계속 쌓이게 되어 화이트 홀 경계면에 블랙홀이 생기는 이중구조가 된다

 

 이렇게 돼버리면 화이트 홀은 영영 관측 할 수 없게될것이다

 

어쩌면 블랙홀 중에는 까보면 화이트 홀지 있을지도...?

 

까보화

 

퀘이사의 정체

 

 

1964년 러시아의 노비코프는 1960년에 발표된 정체불명의 천체인 퀘이사를 화이트 홀이라고 주장했다

 

퀘이사가 비상식적으로 강력한 빛을 뿜고 있기 때문에 그럴만도 했다

 

그러나 현재는 틀린 가설이며 화이트홀 자체가 존재하지 않는다고 보고있다

 

그럼 이 밝은 빛을 내는 천체는 무엇이었을까

 

현재는 이것이 초대질량 블랙홀이라고 보고있다

 

무려 태양의 1조 배 밝기로 빛나는 퀘이사가 실제로 빛을 내는 부분은 0.01광년 정도밖에안된다

 

 천만~1조개의 별을 가지는 은하가 수만~수십만 광년에 달하는 규모임을 감안하면 그 가성비가 느껴지노?

 

그런데 분명히 블랙홀 자체는 빛을 내지 않는다고 했다

 

그럼 무엇때문에 그토록 밝게 빛나는 것일까

 

 

블랙홀의 중력에 주변 물질들이 이끌리면서

 

도너츠 모양의 가스 원반을 형성한다

 

여기서 천 배정도 확대해보면

고속으로 회전하는 고온의 플라즈마 부분이 있는데

 

이것을 강착원반이라고 한다

 

이 강착원반에서 생기는 마찰이 내뿜는 빛이 퀘이사의 정체였다

 

인터스텔라에서 본 블랙홀은 그다지 밝은 빛이 나지 않았다

 

영화 설정상, 아주 오래전에 생성된 블랙홀이기 때문에 끌어당길 물질이 소진돼 활동이 거의 없는 것이었기 때문이다

 

실제로 퀘이사들은 하나같이 100억광년 저편에 있는것만 관측되고 근처에는 발견된게 거의 없다

 

즉 100억년 전에는 있었으나 지금은 활동을 멈췄다

 

다시말하면,  100억년 전의 빛일 뿐 실제로는 활동을 멈췄다는 이야기..

 

감마선 버스트

 

 

감마선 버스트는 일반적인 초신성 폭발보다 규모가 한 자릿수 더 큰 '극초신성 폭발' 로 보고있다

 

태양 질량의 30배 이상의 항성의 최후에 일어나는 현상이며 남은 잔해는 블랙홀이된다

 

감마선 버스트는 블랙홀의 탄생 순간인 셈이다

 

 그런데 관측에 의하면 우리은하 내에서만 10만년에 1회정도 일어나고

 

지구에서 3천광년 이내라는 조건을 추가해도 수백만년에 1회 정도 일어난다

 

만약 감마선이 지구에 도달하면 대기에 흡수되어 지구표면에는 당장 도달하지 못하지만

 

화학반응에 의해 질소 산화물이 생성되어 오존층이 운지해버린다

 

이때문에 수십년간 지구는 태양의 자외선에 직접 노출되고 산성비 및 방사선 물질이 생성될 가능성도 있다

 

이후에 감마선 버스트의 충격파가 지구에 도달하면 대규모의 지진과 폭풍을 일으키게된다 

 

지구의 나이를 감안했을 때 어쩌면 감마선 버스트가 과거 대멸종의 원인이었을지도 모를일이다 

 

 

LHC에서 인공 블랙홀을 만들 수 있을까

 

 

한바퀴가 27킬로미터인 세계 최대의 원형 가속기인 LHC에서는

 

양성자를 광속의 99.9999991%까지 가속시켜 7조 일렉트론볼트로 만들수있다

 

(1일렉트론볼트는 전자 하나가 1볼트 사이를 왔다갔다하는 퍼텐셜 에너지)

 

이를 통해 10-24kg의 질량이 가진 에너지를 10-19m의 영역에 집중시킬 수 있다

 

그러나 이 질량으로 블랙홀이 되려면 10-51m까지 압축시켜야하기 때문에 터무니없이 부족하다

 

설령 생긴다해도 10-27초 만에 사라진다는 계산결과가 나온다

 

또 지구역사상 우주선(cosmic rays)에 의한 LHC급의 자연적인 충돌이 1022번 이상 생겼지만 여태 아무 일도 없었다 

 

그런데 이 가정은 일반적인 4차원 시공간 개념에서의 계산이며

 

5차원 이상의 시공간이 존재한다면 미세공간에서의 중력이 4차원의 경우보다 강해

 

블랙홀이 생성될 수 있다고 알려져있다

 

만약 가속기에서 블랙홀이 생성된다면 5차원 시공간의 존재도 증명되는 셈이다

 

아직은 고차원 블랙홀에 관해서는 충분한 연구가 부족하지만 활발한 연구 주제라고한다

 

 

미래

 

 

이론적으로는 블랙홀을 이용해 전기를 생산할 수 있다

 

블랙홀을 향해 물질을 떨어뜨리면 강착원반에서 마찰에 의해 빛이 발생하고 이를 태양 전지판으로 흡수하고

 

얻은 에너지는 레이저로 쏴준다

 

같은 질량으로 얻을 수 있는 에너지가 핵반응보다 수십배에 달한다는 장점이있다

 

또는 이미 우주에 널린게 강착원반이므로 천연 자원을 찾아나서듯이 그냥 가서 전지판만 설치해도 좋다

 

이 천연 발전소의 사용기한은 수백만년에서 수십억년이다

 

또 로저 펜로즈는 회전하는 블랙홀을 이용하는 방법을 생각해냈다

 

무거운 물체를 회전하는 블랙홀로 던지면 분리되어 하나는 사건지평면으로 그냥 들어가고 하나는 에르고 영역을 통해 밖으로 돌아오게한다

 

이때 돌아오는 물질은 들어갈 때 보다 커지는데 이것을 펜로즈 과정이라고한다

 

초미래에는 블랙홀 주변에 도시를 건설하고 쓰레기와 쓰레기 통을 던져

 

쓰레기는 버리고 통을 받아 통의 운동 에너지를 이용할지도 모른다 

 

 

 

 

요약

1. 블랙홀을 규정짓는 요소는 질량,전하,회전이다

2.블랙홀이 회전하면 시공간도 회전방향으로 이끌린다

3.블랙홀도 증발한다. 다만 아주 오랜 시간이 걸린다

4.화이트홀은 척력이 아니라 블랙홀과 같은 크기의 인력을 가진다. 존재가능성은 낮다

5.퀘이사의 정체는 초대질량 블랙홀 주변의 강착원반이다

6. 5차원 시공간이 존재한다면 가속기로 인공 블랙홀을 만들 수 있다

7.미래에는 블랙홀로 전기를 생산하거나 쓰레기 문제를 해결할 수도 있다