블랙홀에 들어갔다가 다시 나오는게 가능한가요?
예전에 인터스텔라를 재밌게 봤었는데요, 주인공이 블랙홀에 들어갔다가 과거로 돌아가고 다시 나오는 장면이 있었습니다. 과학기술이 더 발전하면 블랙홀에 들어갔다가 다시 나오는게 정말 가능할까요?
안녕하세요. 김지호 과학전문가입니다.
블랙홀은 물질이 뭉쳐질 수 있는 한계까지 압축된 일종의 천체이며 입구 부분만 검은 구멍처럼 보이기 때문에 이와 같은 이름이 붙여졌는데요, 블랙홀에 들어가면 빛조차 빠져나올 수 없는 게 사실이기 때문에 인간 역시 한 번 들어가면 빠져나오지 못한다고 볼 수 있습니다.
만족스러운 답변이었나요?간단한 별점을 통해 의견을 알려주세요.안녕하세요! 손성민 과학전문가입니다.
블랙홀은 매우 강력한 중력을 가지고 있어서 빛도 포함한 모든 물질을 흡수하는 우주 현상입니다. 따라서 블랙홀에 들어가는 것은 매우 위험하며 다시 나오는 것은 불가능합니다. 하지만 최근에는 블랙홀의 성질을 이용하여 우주 여행을 할 수 있는 연구가 진행되고 있습니다. 하지만 아직까지는 실험 단계이며 실제로 블랙홀에 들어가는 것은 매우 어렵고 위험한 일입니다. 따라서 블랙홀에 대한 연구는 아직 많은 시간과 노력이 필요합니다. 감사합니다.
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만족스러운 답변이었나요?간단한 별점을 통해 의견을 알려주세요.안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.
결론을 먼저 말씀드리면 불가능합니다.
블랙홀은 중력 때문에 시간과 공간이 크게 뒤틀린 지역입니다.
이렇게 되면 중력의 탈출구조차 중력권 안에 갇혀 있기 때문에 탈출이라는 것 자체가 원칙적으로 불가능합니다.
만족스러운 답변이었나요?간단한 별점을 통해 의견을 알려주세요.안녕하세요. 김동준 과학전문가입니다.
블랙홀(Black hole)이란 글자 그대로 검은 구멍을 뜻하며, 좀 더 과학적인 표현으로는 '중력장이 극단적으로 강한 공간'을 의미한다. 블랙홀은 엄청나게 강한 중력으로 어떤 물체든지 흡수해 버리는 별이다. 심지어 그 빠른 빛조차도 블랙홀을 피해 갈 수 없다고 한다.
이렇게 신비한 별의 존재 가능성을 처음 생각한 사람은 영국의 지리학자 존 미첼이다. 그는 1783년 화학자 캐번디시에게 보낸 편지에서 '질량이 너무 커서 빛조차도 빠져나오지 못하는 물체'에 대한 개념을 설명했다. 이런 그의 생각은 처음에는 크게 관심을 끌지 못하다가 아인슈타인의 등장으로 주목을 받기 시작한다. 그리고 여러 학자의 노력으로 이러한 시공간이 존재한다는 사실이 증명되었고, 1969년 미국의 유명한 물리학자 휠러가 이 신비한 천체에 블랙홀이란 이름을 붙였다.
중력장
지구상에서 중력이 미치는 공간. 중력장 안에 있는 물체는 중력을 받아, 당기는 힘을 받는다.
과학자 노트 휠러(John Archibald Wheeler, 1911~2008)
미국의 물리학자. 블랙홀이란 이름을 만들어 냈다. 아인슈타인, 닐스 보어와 같은 현대 물리학의 두 거장과 함께 연구하기도 하였으며, 프린스턴 대학에서 노벨상 수상자인 리처드 파인만을 가르치기도 하였다.
블랙홀은 어떻게 생길까
우주의 모든 별은 항상 일정하게 유지되는 것이 아니라 시작과 끝이 있다. 지구도 지금부터 약 46억 년 전에 생긴 것으로 추정하고 있으며, 언젠가는 멸망할 것이다. 그것은 태양도 마찬가지다.
블랙홀은 우주의 거대한 별이 수명이 다할 때 생긴다. 즉, 거대한 별이 수명이 다했을 때 스스로 만들어 낸 물질들을 모두 뿜어내면서 폭발하기 시작하는 것이다. 별이 폭발한 후에는 질량은 그대로 보존한 채, 크기만 엄청나게 줄어든다. 이때 수축의 정도가 심해지면 빛도 빠져나갈 수 없는 천체가 되며, 엄청난 중력을 가지고 있기 때문에 빛을 포함하여 근처에 있는 모든 물질을 빨아들이게 된다.
그런데 모든 별이 블랙홀이 될 수 있는 것이 아니라, 태양 질량의 1.4배 이상의 별만 블랙홀이 될 가능성이 있다. 즉, 이러한 별은 폭발 후 수축 과정에서 원자들이 파괴되고 원자핵끼리만 서로 뭉치는 상태가 나타나는데, 이렇게 생긴 별을 중성자별(펄서)이라고 한다. 만일 이렇게 생긴 중성자별이 태양 질량보다 3배 이상 무겁게 되면 중심에서 중력 붕괴 현상이 일어나서 블랙홀이 된다.
사건의 지평선과 특이점
블랙홀은 아래 그림처럼 사건의 지평선과 특이점(블랙홀)으로 구성된 단순한 구조를 가지고 있다.
'사건의 지평선'이란 블랙홀에서만 볼 수 있는 매우 특이한 시공간으로, 만약 어떤 천체 주위에 이 사건의 지평선이 형성되어 있다면, 이 천체는 블랙홀임이 틀림없다.
그런데 사건의 지평선이란 무엇을 말하는 걸까? 여기서 말하는 사건의 지평선이란 지평선 안의 어떤 사건도 지평선 밖으로 나올 수 없는 일종의 막과 같은 역할을 하는 경계이다. 사건의 지평선 밖은 우리가 사는 공간과 비슷한 보통의 시공간인데 비해, 사건의 지평선 안은 중력이 매우 강하게 작용하여 시간과 공간의 역할이 완전히 바뀌어 버린다.
특이점은 중력의 크기가 무한대가 되는 곳으로 시공간이 존재하지 않는다.
블랙홀은 태양과 같은 큰 별이 붕괴되면서 생기게 되는데, 만약 태양보다 10배 무거운 별이 블랙홀로 변한다면 크기는 어떻게 변할까?
만일 태양보다 10배 무거운 별이 붕괴하여 블랙홀로 변한다면, 사건의 지평선의 반지름이 29.6km 정도인 별(블랙홀)로 매우 작아진다(만약 지구가 중력 붕괴하여 블랙홀로 변한다면 사건의 지평선의 길이는 1cm도 안 되는 크기가 된다).
이때 이 별의 밀도를 추정하여 계산해 보면 6×1013g/cm3이 나온다. 이는 상상할 수 없을 만큼 많은 물질이 밀집되어 있는 상태로, 이처럼 좁은 곳에 거대한 질량이 뭉쳐 있으면, 블랙홀 내부의 모든 원자는 물론이고 핵도 파괴되어 버리고 만다.
사건의 지평선 탈출 속도가 광속도가 되는 지점. 블랙홀의 표면. 일단 통과하면 빛조차 돌아올 수 없다고 믿어지는 검은 구멍 주위의 구면. 특이점 크기가 0이고, 밀도와 온도가 무한대가 되는 지점. 시간과 공간이 존재하지 않는다.
사건의 지평선
탈출 속도가 광속도가 되는 지점. 블랙홀의 표면. 일단 통과하면 빛조차 돌아올 수 없다고 믿어지는 검은 구멍 주위의 구면.
특이점
크기가 0이고, 밀도와 온도가 무한대가 되는 지점. 시간과 공간이 존재하지 않는다.
블랙홀의 종류
블랙홀은 앞에서 본 것과 같은 한 가지 구조가 아니라, 기본 구조와 특징에 따라 네 가지로 나누어진다. 그런데 블랙홀이 여러 가지 종류가 있다는 사실은 어떻게 알아냈을까?
블랙홀의 종류는 시공간의 구조와 물질의 분포(에너지)와의 관계를 나타낸 중력장 방정식을 해석하는 과정에서 발견되었다.
아인슈타인의 일반 상대성 이론을 나타내는 중력장 방정식의 해는 결국 블랙홀을 뜻하는데, 여러 학자들의 노력으로 이 방정식의 해가 네 가지라는 사실이 밝혀졌다. 따라서 블랙홀도 네 종류가 있는 것이다.
아래 표를 보면 블랙홀을 형성하는 물리량은 질량, 회전, 전하량 등의 세 가지 요소만 있음을 알 수 있다. 그런데 이것은 매우 중요한 의미가 있다. 왜냐하면 별이 붕괴하여 블랙홀이 형성될 때, 별을 이루는 온갖 종류의 물리량 가운데 결국 이 세 가지만 남는다는 것을 뜻하기 때문이다.
블랙홀의 종류
블랙홀 명칭
기본 요소
특징
슈바르츠실트 블랙홀
질량
구대칭이며 정지해 있다.
커 블랙홀
질량, 회전
회전축을 중심으로 대칭이며, 사건의 지평선 외부에 에르고스피어라는 영역이 존재한다. 자연에 실제로 존재할 가능성이 가장 높은 블랙홀이다.
라이스너-노르드스트롬 블랙홀
질량, 전하량
전기를 띠며 구대칭이다.
커-뉴먼 블랙홀
질량, 전하량, 회전
가장 일반적인 블랙홀이며, 기본 요소를 모두 갖고 있는 블랙홀이다.
블랙홀의 관측
블랙홀은 빛이 나오지 않을 뿐더러 빛을 모두 흡수해 버리기 때문에 직접 관측하기가 어렵다. 그래서 블랙홀을 관측하기 위해서는 간접적인 방식을 이용할 수밖에 없다.
블랙홀을 관측하는 방법 중 X선을 이용하는 것이 있는데, 이 방법은 블랙홀의 중력에 의하여 가까이 있는 항성의 물질이 블랙홀로 빨려 들어갈 때 방출하는 X선을 이용하여 관측하는 것이다.
블랙홀을 관측하는 또 다른 방법도 있다. 아래 그림과 같이 텅 빈 공간의 어떤 점을 중심으로 별이 공전하는 경우를 생각해 보자.
그런데 이 별이 공전(회전) 운동을 하려면 반드시 중심에 구심력이 작용해야 한다. 그냥 홀로 공전할 수는 없기 때문이다. 따라서 텅 빈 공간을 회전하는 별이 존재한다면, 보이지 않지만 중심에 구심력이 작용하는 어떤 강력한 존재(블랙홀)가 있을 가능성이 대단히 높다.
최근에는 우주 기술이 발달함에 따라 인공위성의 X선 망원경으로 우주를 관찰한다. 그런데 이러한 관찰 중에 백조자리 X-1이라는 미지의 천체가 짧은 주기로 강력한 X선을 발산하는 것을 발견했다. 과학자들의 관심은 이 미지의 천체에 집중되었다. 이 천체를 관찰한 결과 청색 초거성과 미지의 천체가 쌍성을 이루고 있다는 사실을 알게 되었다. 또한, 이 초거성에서 물질이 흘러나와 미지의 천체 쪽으로 끌려 들어가는 것이 확인되었다. 과학자들은 이 미지의 천체가 블랙홀일 가능성이 높다고 생각하고 있다.
X선 망원경
지구 대기 밖의 광원에서 나오는 X선을 관측하기 위한 망원경이다. X선은 지구 대기를 거의 통과하지 못한다. 따라서 X선 망원경을 인공위성이나 로켓에 실어 우주 공간에 쏘아 올린 후 X선을 관측한다. 대표적인 것으로 1999년에 미국 항공 우주국이 컬럼비아 우주 왕복선에 실어 발사한 찬드라 X선 망원경이 있다.
확장 교양 블랙홀과 화이트홀의 지름길, 웜홀
우주에는 세 개의 구멍, 즉 블랙홀, 화이트홀, 웜홀이 있다. 화이트홀은 블랙홀과 반대되는 개념으로, 블랙홀을 시간적으로 뒤집은 것이다. 화이트홀은 블랙홀에 빨려 들어간 천체들이 다시 빠져나온다. 즉, 블랙홀은 입구가 되고 화이트홀은 출구가 되는 것이다. 만약 실제로 화이트홀이 존재한다면 빛의 속도로 가스와 천체 등이 빠져나오게 된다. 화이트홀의 존재는 모든 것을 빨아들이는 블랙홀이 있다면 반드시 그 반대 세계가 있다는 일반 상대성 이론에 근거한다.
웜홀은 벌레 구멍이라는 뜻으로, 1988년 모리스와 손이 생각해 낸 개념이다. 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 통로인데, 흔히 사과 위를 기어가는 벌레와 사과 속을 기어가는 벌레로 비유된다. 즉, 사과 위를 기어가는 벌레보다 사과 속을 기어가는 벌레가 반대편으로 더 빨리 갈 수 있으며, 이 지름길을 웜홀이라고 보는 것이다. 웜홀은 우리 우주와 다른 우주를 연결하는 지름길로 생각된다. 그래서 이 웜홀을 통해 과거로 가는 시간 여행이 가능하다고 추측한다. 그렇지만 현재까지 증명되고 관측된 것은 블랙홀뿐이며, 화이트홀과 웜홀은 일반 상대성 이론에 따른 가설일 뿐이다. 화이트홀의 가능성을 부정하는 과학자도 많다. 화이트홀이 부정되면 당연히 웜홀도 부정될 수밖에 없다. 하지만 이제까지 과학이 발전해 온 역사를 보면 어떠한 가능성도 실제로 증명하기 어렵다는 이유로 부정할 수는 없다.
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