블랙홀의 탄생 원리와 사건의 지평선 뜻

우주의 미스터리 블랙홀

우주에서 가장 특별한 천체 현상 중 하나는 블랙홀인데요. 빛조차 빠져나갈 수 없다는 이 현상이 오랜 기간 상상속에서 존재해왔습니다. 그러나 현대적인 과학기술의 발달로 인해서 블랙홀이 더이사 과학자들의 상상속 존재가 아니게 되었는데요. 2019년 사건의 지평선 망원경이 인류 최초로 블랙홀의 실제 모습을 촬영하면서 블랙홀의 탄생 원리와 우주의 비밀이 하나씩 풀리게 되었습니다.

별의 일생과 블랙홀 탄생의 시작

블랙홀은 대부분 대질량의 항성 최후에서 탄생하게 됩니다.

• 별의 탄생과 안정: 별은 거대한 수소 구름이 중력으로 수축하면서 탄생하게 됩니다. 중심부에서는 핵융합이 일어나면서 빛과 열을 방출하고 이 압력과 중력이 균형을 이루면서 우주를 지탱하고 있습니다.
• 수명 종료: 별의 질량이 클수록 수명은 짧아집니다. 태양 질량의 8배 이상인 별은 수소와 헬륨, 탄소 등 무거운 원소를 차례대로 융합하게 됩니다. 그러나 철까지 도달하게 되는데요. 철은 융합 시 에너지를 많이 소비하기 때문에 핵융합이 멈추게 됩니다.

이 순간에 별의 중심을 지탱하고 있던 외압이 사라지면서 중력 붕괴가 일어납니다. 별의 외곽 물질이 초신성 폭발로 날아가며, 남은 핵심 코어는 극도로 압축됩니다.

블랙홀 형성조건

코어의 질량이 태양 질량의 3배를 초과하게 되면 중력은 중성자 축퇴압마저 이겨내면서 특이점으로 무한히 수축을 하게 됩니다. 말이 다소 어렵지만 무거운 물질이 그 힘을 이겨내지 못하게 될 때 블랙홀이 탄생하게 되는 것이에요.

사건의 지평선이란?

사건의 지편선은 블랙홀의 있어서 가장 중요한 경계입니다.

• 정의: 사건의 지평선은 빛 조차 탈출 할 수 없는 한계 반경인데요. 이 경계를 넘어서게 되면 모든 것이 블랙홀 중심의 특이점으로 떨어지게 되며, 외부 관찰자 입장에서 바라볼 때 사라지는 것으로 보이게 됩니다.
• 슈바르츠실트 반경: 비회전 블랙홀의 사건의 지평선의 크기는 다음의 공식으로 계산할 수 있습니다.

R= 2GM/c^2

여기서 G는 만유인력 상수이고 M은 블랙홀의 질량, c는 빛의 속도입니다. 만약 태양 질량의 블랙홀이라면 사건의 지평선 반경은 3km 정도 밖에 안되는데요. 이 경계 안에서 공각과 시간이 극도로 왜곡되면서 일반상대성 이론의 예측대로 빛의 탈출이 불가능해집니다. 따라서 사건이 일어나는 경계 너머에서 일어나도 외부에서는 이것을 관측할 수 없기에 사건의 지평선이라고 불리게 되었습니다.

블랙홀의 종류와 관측

• 항성 블랙홀: 위에서 설명한것처럼 대질량 별의 붕괴로 생성된 것입니다.
• 초대질량 블랙홀: 은하 중심에 존재하는 것으로 수십억 태양 질량으로 가지고 있습니다. 아직 왜 이렇게 크게 커졌는지 알지 못합니다.
• 중간질량 블랙홀: 최근 발견이 되고 있는 유형입니다.

2019년 EHT 프로제트는 처녀자리 M87 은하 중심의 초대질량 블랙홀을 2022년에 우리 은하 중심의 사지타리우스 A를 촬영하면서 사건의 지평선 주변의 밝은 고리를 확인하고 있습니다. 이러한 관측이 아인슈타인의 일반 상대서이론을 극한 환경에서 검증하는 증거로 쓰이면서 우주의 비밀이 벗겨지고 있습니다.

블랙홀과 우주의 관계

이처럼 블랙홀은 우주의 비밀을 풀어주는 하나의 열쇠로 자리잡고 있는데요. 호킹 복사 이론을 통해 양자역학과 중력을 연결하고, 중력파 검출을 통해 블랙호 병합 현상을 관측하면서 현대 물릭하는 나날이 발전하고 있습니다.

앞으로 블랙홀의 탄생은 별의 죽음과 새로운 현상으로 귀결되면서 우주가 지닌 물리 법칙을 증명하고 있는데요. 사건의 지평선은 아직 우리가 완벽하게 이해하지 못하여도 조금씩 과학이 발달하면서 이러한 미스터리가 조금씩 풀려나갈 것 같습니다.