블랙홀이란 무엇인가?

질량과 밑도의 관계가 어느 한계를 넘으면, 표면 중력이 너무 커져 천체의 탈출 속도가 빛의 속도와 같거나 그 이상이 될 수 있다.

따라서 빛이 그 물체에서 밖으로 빠져 나오지 못하게 된다.

1939년, 중성자별의 특성을 연구하던 오펜하이머는, 질량이 태양의 3.2배가 넘는 중성자별이 존재한다면 그 별을 구성하는 중성자가 중력을 이겨내지 못하게 된다는 것을 계산해 냈다.

따라서 이 경우에는 중성자가 짜부라지고, 별 내부에서 중력을 이겨낼 만한 물질이 없어지며, 별 전체가 실질적으로 부피는 없고 질량과 밀도는 무한대인 특이점으로 짜부라지게 된다.

그러한 초중성자별은 밖으로 빛을 낼 수 없게 된다.

우주의 모든 물체가 그 속으로 일단 빠지면 다시는 밖으로 나올 수 없는, 바닥 없는 구멍이 돼 버리는 것이다.

심지어 빛조차도 빠져나올 수 없는데 이것을 '블랙홀'이라고 부른다.

 

1970년, 영국의 물리학자 스티븐 윌리엄 호킹은 블랙홀이 매우 천천히 증발할 수 있다고 지적하여, 블랙홀도 사실상 영구적인 천체가 아님을 암시한 바 있다.

블랙 홀은 주로 별들이 많이 몰려 있는 곳에서 생겨난다.

그런 곳에서는 별들 간의 충돌이 자주 일어나고, 충돌로 인해 별들이 하나로 합쳐지는 경우가 있는데, 심한 경우에는 중력을 견디지 못하고 짜부라질 정도로 큰 질량을 얻을 수도 있다.

이러한 점에 비추어 볼 때 구상성단의 중심부에서 블랙홀이 발견될 가능성이 매우 높고, 은하계의 중심부에서는 가능성이 더욱더 높다.

실제로 사수자리 방향에 위치한 은하계의 중심부에서는 굉장히 강한 에너지가 나오는데 이 때문에 많은 천문학자 들은 수백만 개의 별이 밀집된 은하계의 중심부에는 블랙홀이 존 재할 것이라고 확신하고 있다.

커다란 블랙홀은 주위의 물질, 즉 정상적인 별들을 집어삼키며 점점 성장해간다.

그렇다고 우리가 지금부터 블랙홀을 걱정할 필요는 없다.

가까운 장래에 은하계 전체가 삼키우는 일은 없다.

문제는 어떻게 블랙홀을 찾아내 블랙홀이 정말로 존재하는지를 확인할 수 있느냐이다.

블랙홀은 어떤 종류의 광자도 밖으로 내보내지 않는다.

그러므로 전자기 스펙트럼을 이용하는 정상적인 방법으로는 도저히 확인할 길이 없다.

여기서 블랙홀의 중력장에 붙들린 어떤 천체를 한번 생각해보자.

그 천체는 블랙홀 주위를 빠른 속도로 공전하면서 에너지를 잃고 서서히 블랙홀 쪽으로 나선을 그리며 접근하게 될 것이다.

이 과정에서 X선이 나오게 된다.

하늘에는 X선을 내는 곳이 여러 곳이 있고, 우리는 여기서 블랙홀이 존재할 가능성을 생각할 수 있다.

그러나 X선을 내는 것은 블랙 홀만이 아니므로 X선은 겨우 블랙홀이 존재할 가능성을 확인해 주는 것에 지나지 않는다.

은하계 중심부에서 아무리 강한 에너지가 나온다 하더라도, 그것이 블랙홀이 존재한다는 직접적인 증거는 못된다.

 

이번에는 블랙홀이 정상적인 별과 근접 쌍성계를 이루는 경우를 생각해 보자.

백색왜성과 정상적인 별이 근접 쌍성계를 이루는 경우, 신성이 만들어질 가능성이 높다는 것은 이미 알려져 있다.

두 개의 중성자별로 구성된 근접 쌍성계 역시 이미 알려져 있어, 그 운동 방식이 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 증거로 활용되고 있다.

그렇다면 블랙홀과 정상적인 별의 쌍성계가 없으란 법도 없지 않은가?

만일 그러한 쌍성계가 존재한다면 정상적인 별에서 흘러나온 물질이 나선을 그리며 블랙홀 쪽으로 빨려들어갈 것이고, 이 과정에서 X선이 나오게 된다.

이때 정상적인 별에서 나온 물질이 블랙홀로 빨려 들어가는 양상은 불규칙할 것이므로 X선의 양과 세기도 불규칙할 수밖에 없다.

 

1965년에는 백조자리에서 매우 강력한 X선을 내는 천체가 발견 되어, 시그너스 X-1이라는 이름이 붙여졌다.

1971년에는 X선 관측용 로켓으로부터 시그너스 X-1에서 나오는 X선이 매우 불규칙하다는 사실을 밝혀냈다.

블랙홀일 가능성을 암시하는 것이다.

과학자들은 즉시 시그너스 X-1을 주의깊게 관측하기 시작했으며, 그 주위에서 태양 질량의 30배나 되는 뜨겁고 커다란 청백색 별을 찾아냈다.

이 별과 X선 천체는 서로 공전하고 있었는데 질량 중심의 위치를 계산해 보니, X선 천체의 질량이 우리 태양의 5~8배는 돼야 했다.

그 천체는 눈으로 볼 수 없는 아주 작은 천체임이 분명했고, 그 정도의 질량이면 중성자별이 아닌 것은 분명 했다.

블랙홀이 틀림없어 보였다.

많은 천문학자들은 시그너스 X-1이 진짜 블랙홀이라고 생각하며, 블랙홀의 수는 지금까지의 생각보다 훨씬 많으리라고 믿고 있다.

2019년에는 인류 최초로 블랙홀의 관측에 성공했다.

M87이라고 불려진 이 블랙홀은 반지 형상을 나타내며, 지구로부터 5,500만 광년 떨어져있다.