블랙홀에 대해 자세하게 설명해 주세요?

Question

우주에 블랙홀이란 게 강한 중력에 의해서 빛까지 흡수해 버려서 시커멓게 무슨 거대한 구멍처럼 보이는 게 아닌가요?대충 이렇게만 알고 있습니다.

Answer 1

안녕하세요. 김칠영 박사입니다.

만약에 어떤 천체의 표면 중력이 너무나 강력하여 탈출 속도가 광속보다도 크다면, 그 천체에서는 빛도 빠져나올 수 없을 것이고 그렇다면 그 천체는 우주 공간에서 검은 구멍처럼 느껴질 것이라는 뜻에서 블랙홀이라고 명명된 천체입니다. 처음에는 단순히 이론적으로만 예상되던 존재였지만 현재는 그 질량에 따라 은하 중심부에 있는 거대 블랙홀, 태양 질량보다 20배 이상 되는 별이 죽으면서 만드는 항성 블랙홀, 그리고 빅뱅 당시 만들어진 미니 블랙홀 등이 알려져 있고 또한 그 형성 과정 및 특성 등이 자세히 연구되었으며 실제로 블랙홀 후보도 많이 알려져 있고 관측도 되고 있습니다. 순수하게 블랙홀만 있으면 가까이 접근하기까지 그 존재를 알 수 없지만, 쌍성 블랙홀에서는 쌍성으로부터 유입되는 물질이 블랙홀 주변을 돌면서 강착원반을 만들고 여기에서 대량의 엑스선을 발생하는 경우가 많은데, 이때 강착원반에서 방출되는 엑스선을 관측함으로써 블랙홀의 존재를 확인할 수 있습니다. 은하 중심의 거대 블랙홀도 이와 비슷한 원리로 파괴된 항성들의 잔해들이 만드는 강착원반을 관측함으로써 확인할 수 있습니다.
하지만 많은 사람이 오해하는 것처럼 블랙홀이 이리저리 우주 공간을 휘젓고 다니면서 우주의 모든 것을 자발적으로 빨아들이는 것은 결단코 아닙니다. 일반적으로 블랙홀 주변 공간의 중력장이 강한 것은 사실이지만 빛도 탈출할 수 없는 블랙홀 영역, 즉 사상의 지평선으로부터 어느 정도 멀어지면 보통의 항성과 같이 그 둘레를 공전하면서 얼마든지 살아남을 수 있습니다. 빛은 질량이 없는 입자이므로 블랙홀의 중력이 광자에 직접 힘을 미칠 수는 없지만, 블랙홀 주변의 공간은 블랙홀의 중력 때문에 휘어져 있어서 마치 빛의 진행 경로가 휘어지는 것처럼 보이고, 또한 사상의 지평선 안쪽에서는 공간이 닫혀있으므로 빛도 빠져나올 수 없습니다. 이러한 경우를 빗대어 사람들은 블랙홀이 빛도 빨아들인다고 표현하지만, 빛의 경우는 블랙홀의 정면으로 향하지 않는 한, 즉 지평선 안쪽으로 떨어지지 않는 한 언제든지 탈출할 수 있습니다. 좀 어려운 이야기이지만, 빛의 속도는 어느 곳에서나 일정하므로 블랙홀 주변에서도 빛은 광속으로 움직입니다. 하지만 빛도 중력장을 거슬러 오르다 보면 운동에너지(?), 즉 빛 에너지가 감소하면서 파장이 길어지는 다시 말해서 중력에 의한 적색이동 현상이 나타나게 됩니다. 이 부분에 대해 좀더 자세한 설명을 듣고 싶으면 궁금한 부분에 대해 다시 질문해주세요.

블랙홀은 결코 우주의 모든 것을 잡아먹는 괴물이 아니고, 1994년 슈메이커 레비 혜성을 잡아먹던 목성처럼 블랙홀 주변을 아주 가까이 지나는 물체에 기조력을 작용하여 파괴하고 그 잔해를 흡수하는 것뿐입니다. 즉 개미지옥이 밭에 있는 모든 개미를 잡아먹는 것이 아니고, 개미지옥 집의 경사진 비탈 안쪽으로 들어온 개미만 잡아먹는 것과 같습니다. 만약 블랙홀이 은하계 공간을 이곳저곳 막 쏘다니면서 모든 별을 잡아먹는다면 우리은하는 곧 사라지겠지만, 항성의 진화 과정 중에 만들어지는 블랙홀의 지평선 크기는 불과 수십 km밖에 되지 않으며 은하 중심에 대하여 거의 원 궤도로 공전하기 때문에 실제로 블랙홀에 잡아먹히는 항성은 거의 없습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

블랙홀은 대량의 별이 폭발하여 생긴 초신성 폭발로 형성될 수 있습니다. 이러한 폭발로 인해 별의 중심 부분은 매우 높은 밀도와 질량을 가지게 되며, 중력이 극도로 강해지면서 블랙홀이 생성됩니다. 블랙홀 주변의 중력은 매우 강력합니다. 블랙홀의 중심인 싱귤래리티는 거의 무한히 작고 질량이 집중된 지점으로, 이 주변에는 이벤트 호라이즌이라 불리는 경계 영역이 형성됩니다. 이벤트 호라이즌 내부에서는 중력이 너무 강해서 빛마저도 탈출할 수 없게 되어 블랙홀의 특징적인 모습을 갖게 됩니다.