블랙홀, 말만 들어도 무한하고 온통 알 수 없는 것들로 가득 찬 저 우주속에서 가장 신비한 존재입니다. 천문학 책에서 글로서만 보았던 그 존재, 지금도 그 존재는 위치만 예측이 될 뿐 실제로 관측을 할 수 없습니다. 블랙홀은 한국어로 검은 구멍입니다. 왜 검은 구멍이겠습니까? 온통 검은 색으로만 보일 뿐 아무것도 존재하지 않는 구멍입니다. 물론 헤아릴 수 없는 크기의 중력에 의해 안으로만 안으로만 무너져 내리기 때문에 빛조차 가두어진다는 그 신비한 수렁. 검은 구멍보다는 검은 수렁이 더 어울리는 표현일 것 같습니다. 상상력으로도 그 존재의 사실을 받아들이기가 쉽지 않습니다. 왜 중력은 생기는 것일까요? 물질이 뭉치고 뭉쳐서 우주속에서 원구의 형태로 만들어지는데 왜 원구의 중심점으로 강력하게 당겨지는 중력이 생기는 것일까요? 그 중력이 일정 크기 이상의 별이 수명을 다하여 소멸해 나가는 어느 시점에 그 중력의 힘에 못이겨 안으로 무너져 내리게 되고 그 힘이 하나의 특이점 형태로까지 줄여지게 되는 검은 수렁(검은 구멍), 신비를 넘어 경이롭기까지 합니다. 과연 신의 영역과 어떤 관계가 있을까요? 하느님은 말씀하시기를 굳이 알 필요가 있는가? 라고 하실 것만 같습니다. 그렇지만 당신이 만든 인간은 끝없는 탐구심과 호기심이 이제 블랙홀과 화이트홀을 찾아가고 있습니다. 화이트홀은 블랙홀이 있으니 그 반대의 방향에 잡아 당긴 힘을 뱉어 내는 힘으로 존재하지 않을까 하고 상상력을 발휘하여 만들어진 개념입니다. 적어도 저는 그렇게 책을 통해 배웠습니다. 지금은 어느 정도까지 밝혀졌을까요? 궁금해집니다. 이제 그 신비한 블랙홀에 대해 하나씩 간단히 살펴 보겠습니다.
블랙홀의 주요 측면
블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛은 물론 그 어떤 것도 빠져나갈 수 없는 우주의 영역입니다. 블랙홀은 거대한 별이 핵연료를 소진하고 자체 중력에 의해 붕괴할 때 형성됩니다. 블랙홀에 대해 이해해야 할 몇 가지 주요 측면이 있습니다
형성
블랙홀은 일반적으로 거대한 별의 중력 붕괴를 통해 형성됩니다. 별은 핵융합 반응에 의해 수십억 년 동안 에너지를 방출하며 유지됩니다. 그러나 핵 연료가 모두 소진되면 별은 중력에 의해 압축되고 붕괴됩니다. 핵 연료 소진으로 인해 별 내부의 에너지 생산이 멈추면, 중력이 별의 더 내부로 압축되는 작용을 일으킵니다. 이로 인해 별은 매우 밀도가 높아지고 중심 부근에서는 중력이 엄청난 수준에 이르게 됩니다. 중력은 별의 외부로부터 모든 물질을 별의 중심으로 끌어당기게 되는데, 이것이 블랙홀의 형성을 이끌게 됩니다. 블랙홀의 형성은 폭발로 이어집니다. 중력 붕괴에 대항할 수 없게 된 별은 자체적으로 지탱되지 못하고 압력과 열의 영향으로 인해 폭발합니다. 이 폭발을 초신성 폭발이라고 합니다. 초신성 폭발은 블랙홀의 형성을 앞서지만, 폭발 이후에는 남은 핵물질이 중력에 의해 더욱 밀집되고 블랙홀의 중심으로 끌어당깁니다.
사건의 지평선
블랙홀은 사건 지평선이라는 보이지 않는 경계를 가지고 있습니다. 이 사건 지평선은 블랙홀의 중력이 너무 강력하여 빛도 포함한 모든 것을 통과시키지 않고 흡수하는 지점입니다. 따라서 사건 지평선을 넘어서는 어떤 물체나 정보도 블랙홀로부터 탈출할 수 없습니다. 사건 지평선은 블랙홀의 중심을 둘러싸고 있는 경계로, 블랙홀의 중력이 그 안으로 들어온 물체를 끌어당기고 결국은 무한히 압축시키는 역할을 합니다. 이러한 특성으로 인해 사건 지평선을 넘어서는 어떤 물체도 돌아올 수 없게 되며, 이를 "이벤트 호라이즌"이라고도 합니다. 블랙홀의 사건 지평선을 넘어가는 것은 불가능한 것으로 알려져 있습니다. 중력이 너무 강력하게 작용하기 때문에 어떤 물체도 블랙홀로부터 탈출할 수 없습니다. 심지어 빛도 포함한 전자기 파동이나 정보도 사건 지평선을 넘어서면 블랙홀로 향하게 되고, 결국은 블랙홀의 중심으로 끌어당겨져 소멸됩니다.
특이점
블랙홀의 가장 중심에는 특이점이라고 알려진 지점이 위치합니다. 이 특이점은 블랙홀의 질량이 무한히 조밀하게 모여 작고 점으로 집중된 곳입니다. 특이점은 블랙홀의 중심으로서 무한한 밀도와 공간 왜곡을 가지고 있어, 현재까지 우리가 이해하고 있는 물리학 법칙이 무너지는 영역입니다. 특이점은 상대성 이론에서 예측되는 개념으로, 우리의 현실적인 경험과 직관과는 매우 다른 영역입니다. 특이점은 시간과 공간이 극단적으로 왜곡되어 더 이상 실제적인 설명이나 예측이 불가능한 지점으로 알려져 있습니다. 현재까지 물리학자들은 특이점에서의 물리적 현상과 그에 대한 설명을 이해하기 위해 노력하고 있지만, 아직까지는 완전히 이해되지 않은 영역입니다. 특이점은 블랙홀의 중심에 위치하며, 그 주변의 이벤트 호라이즌 안에서는 중력이 너무 강력하여 빛이나 정보가 통과하지 못하는 것과는 달리, 특이점 자체는 중력이 무한대로 증가하여 모든 것을 흡수하는 공간입니다. 이로 인해 물리학 법칙이 무너지고, 우리의 현재 이론들은 특이점에서의 현상을 설명할 수 없는 한계를 가지고 있습니다.
블랙홀의 유형
블랙홀은 질량에 따라 여러 가지 유형이 있습니다. 항성 질량 블랙홀은 거대한 별의 잔해로 형성되며 일반적으로 질량이 우리 태양의 몇 배에 달합니다. 반면, 초질량 블랙홀은 은하 중심에서 발견되며 질량이 우리 태양 질량의 수백만 배 또는 수십억 배에 달할 수 있습니다.
부착 원반
많은 블랙홀은 블랙홀로 나선형으로 빨려 들어가는 물질(가스 및 먼지 등)로 구성된 부착 원반으로 둘러싸여 있습니다. 이 원반 내부의 마찰로 인해 강렬한 열과 빛이 발생하여 망원경으로 볼 수 있습니다.
블랙홀 관측
블랙홀 자체는 보이지 않지만, 블랙홀이 주변 천체에 미치는 영향을 통해 그 존재를 감지할 수 있습니다. 천문학자들은 블랙홀을 연구하고 탐지하기 위해 인근 별의 움직임을 관측하고, 별의 원반에서 방출되는 X-선을 감지하며, 최근에는 2019년에 초질량 블랙홀의 그림자 이미지를 최초로 포착한 이벤트 호라이즌 망원경과 같은 이미징 기술을 사용하는 등 다양한 방법을 사용합니다.
블랙홀은 우주의 매혹적인 영역이며 천체 물리학 분야에서 계속해서 집중적인 연구와 발견의 대상이 되고 있습니다. 보이저 1호, 보이저 2호의 끝없는 우주여행 중에 언젠가는 이 신비하고 경이로운 존재와 만나게 될 것이고 이벤트 호라이즌 영역을 지나 무궁한 특이점의 영역으로 진입을 할 것이라고 저는 생각해 봅니다. AI에게 무궁무진한 천문학과 우주 물리학의 지식을 쌓게 하고 블랙홀에 대해서 묻는다면 어떤 답을 줄까요? 신의 영역이어서 감히 답을 못한다 할까요? 아니면 과학자와 같은 무미의 답만 내 놓을까요? 참으로 신기하고 신비하고 신적이기만 합니다.