블랙홀에 관해..

Black hole은 항성이 진화하는 과정에서 폭발과 수축이 일어나는데, 이때 발생하는 전자기 복사라든지 어떤 것도 다 빨아들일 것 같은 구멍이다.

블랙홀 내부를 자세히 관찰할 수는 없으나, 어떠한 다른 물질과 상호작용을 하는 것으로 블랙홀의 성질을 유추해 낼 수 있다. 블랙홀 주위를 공전하고 있는 또 다른 항성이 있으면, 공전 궤도를 가지고 블랙홀의 위치나 질량을 계산해 볼 수도 있다. 그동안 천문학자들은 블랙홀로 의심되는 것들이 속해 있는 쌍성계를 무수히 많이 발견해냈다.

블랙홀은 생성된 이후 안정권에 도달하면 세 개의 질량이나 전하, 각운동량을 갖게 된다. 어떠한 물체가 블랙홀로 낙하하게 되면, 물체의 모양이나 정보가 블랙홀의 지평선을 따라 분산되면서 블랙홀 바깥의 관찰자에게는 그 정보가 소실된다. 블랙홀은 그 안으로 들어간 물질에 대해 그와 관련한 정보를 대부분 제공하지 않는다. 

블랙홀 중에서 가장 심플한 블랙홀은 전하나 각운동량이 없고 질량만 있는 블랙홀인데, 블랙홀의 중력장과 다른 블랙홀과 같은 질량의 중력장 사이의 관찰 차이점은 없다. 블랙홀이 주위의 모든 것을 빨아들인다고 생각하는 것은 블랙홀의 지평선 주위에서만 사실이라고 볼 수 있다.

블랙홀 중에서는 회전하지 않고 전하만 가지고 있는 것도 있으며, 반대로 전하는 갖고 있지 않는데 회전하는 블랙홀도 존재한다. 

블랙홀의 가장 큰 특징은 빛이나 어떠한 물질들이 블랙홀 안으로는 들어갈 수 있으나, 밖으로는 빠져나올 수 없는 시공간의 경계가 존재한다는 것인데, 이를 사건의 지평선이라고 한다. 외부의 관찰자들은 블랙홀 주변에 있는 시간은 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳보다 시간이 더 느리게 가는 것처럼 보이는 중력적 시간지연 현상을 느낀다. 블랙홀로 어떠한 물질이 빨려 들어갈 때 사건의 지평선에 닿는 데 걸리는 시간은 관측이 불가능하므로 무한대의 시간이 걸리는 듯 보인다. 사건의 지평선은 그 모양은 구형을 이루며, 회전하지 않는 블랙홀일 때 그렇다. 회전하게 되면 약간 찌그러진 회전 타원체로 보인다.

이처럼 블랙홀은 괴이한 특징을 갖고 있으며, 실제로 존재하는 것인지에 대해 의구심이 든다. 

블랙홀이 어떻게 만들어졌고, 이후 어떠한 방법으로 진화를 해왔는지는 다양한 과정들이 존재하고 있다.

첫 번째, 어떠한 천체의 압력이 그 천체가 가진 중력을 상쇄시킬 수 없을 때 발생하며, 이때 항성의 핵 온도가 자체 무게를 감당하지 못할 정도의 고온으로 유지되지는 못한다. 이처럼 중력이 무너질 때 방출되는 에너지는 굉장히 빠른 속도로 방출되므로, 그 끝을 보는 것은 불가능하다. 중력이 무너지는 것에는 엄청난 밀도가 필요한데, 대폭발 직후 우주는 지금보다 훨씬 더 컸으므로 블랙홀이 형성되는 환경이었을 수도 있다. 중력붕괴 외에도 에너지 밀도가 높은 환경에서 충분한 밀도 형성으로 인해 블랙홀이 탄생했을 수도 있다. 

블랙홀은 형성된 이후에도 질량을 흡수하여 추가로 성장할 수 있다. 주변에 있는 기체나 우주 전체에 있는 물체를 지속해서 흡수하게 된다. 그럴 뿐만 아니라 항성이나 다른 블랙홀과 융합하는 경우가 있는데, 작은 천체들을 흡수하면서 성장했을 가능성이 높은 초대질량의 블랙홀이 그런 경우이다.

2016년 천문학자들은 최초의 중력파 관측에 성공했으며, 블랙홀의 쌍성계 융합이 관측되었는데, 이는 두 개의 블랙홀이 서로 융합할 때 방출되는 중력파가 감지되면서 관측이 가능하게 된 것이다.

2019년 중국에서는 태양 질량의 70배 정도 되는 거대 블랙홀을 발견하였다. 특히, 이 거대 블랙홀은 항성 블랙홀인데 주변의 별들에서 가스를 뺏을 때 X선을 방출하는 다른 블랙홀과는 달리 X선 방출하지 않아서 관측이 어렵다는 특징이 있는데, 항성 블랙홀은 거대한 별이 폭발하고 붕괴한 뒤에 만들어지는 것으로 알려져 있다. 종전의 학계에서는 거대 별이 폭발하는 경우에 항성풍에 의해 대부분의 질량을 잃어서 태양 질량의 20배를 넘지 않을 것으로 알고 있었으나, 이러한 발견에 의해 학계의 관심이 뜨겁다. 기존에 생각했던 크기보다 두 배나 더 크다.

2022년 우리나라를 비롯해 각국의 연구팀이 모인 '사건지평선망원경' 국제 공동 연구팀인 에서 궁수자리A 블랙홀의 모습을 공개했는데, 지구와 태양계가 속해있는 은하에서 블랙홀의 모습을 발견해 촬영한 것이라는 데에 의미가 있다. 고리 내부에 까만 블랙홀 그림자가 보인다.

또한, 휴면 블랙홀이 처음 발견되기도 했다. 태양계의 우리은하 밖에 있는 블랙홀로 성간 물질을 빨아들이지 않고 있으며, 복사선이나 빛 또한 방출되지 않아 발견하기가 매우 어려운 블랙홀이다. 2022년 7월 18일 국제 천문학 연구팀에서는 우리은하와 가까운 위성은하에서 발견된 첫 휴면 블랙홀은 동반성과 서로를 공전하고 있다.

최근에는 2억 4천만 광년 정도 거리에 있는 페르세우스 은하단에서 블랙홀의 소리를 수집했고, NASA에서 최초로 이를 공개하였다. 대중의 반응은 제각각이었는데, 아름답다. 무섭다 등 여러 평이 있었다. 약 34초 정도의 소리는 기존에 우주에 소리는 없다는 오해를 반증하기도 했으며, 은하단에 있는 대량의 가스로 인해서 음파를 전달 할 수 있다고 밝혔다. 즉, 블랙홀에서 나오는 압력파는 은하단에 있는 높은 온도의 가스에 파동을 일게 하고 이는 음파로 변환이 될 수 있다. 이 음파는 사람이 들을 수 있는 음역으로 그 옥타브를 조정하여 재합성한 결과물이다. 

블랙홀은 안으로 들어간 물체의 종류가 어떤 것이든 관계없이 그 물질에서 얻을 수 있는 것은 각운동량이나 질량, 전하량 등이며 나머지는 계속 사라진 상태로 알 수가 없다. 이처럼 물리적인 정보가 소실되는 것에 대한 문제는 아직 물리학에서도 해결되지 않은 문제로 남아있다.