블랙홀

요약 일반상대성이론을 통해 예측된 천체. 별이 폭발할 때 반지름이 극단적인 수축을 일으켜 밀도가 매우 증가하고 중력이 굉장히 커진 천체를 말한다. 이때의 중력을 벗어나기 위해 필요한 탈출속력은 빛의 속력보다 커서 빛도 빠져나오지 못한다고 알려져 있다.

EHT에서 공개한 인류 최초로 촬영된 블랙홀의 모습

블랙홀은 '물질이 극단적인 수축을 일으키면 그 안의 중력은 무한대가 되어 그 속에서는 빛·에너지·물질·입자의 어느 것도 탈출하지 못한다'는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 일반상대성이론에 근거를 두고 있다.

블랙홀의 생성에 대해서는 두 가지 설이 있는데, 첫째는 태양보다 훨씬 무거운 별이 진화의 마지막 단계에서 강력한 수축으로 생긴다는 것이다. 둘째는 우주가 대폭발로 창조될 때 물질이 크고 작은 덩어리로 뭉쳐서 블랙홀이 무수히 생겨났다는 것이다. 이렇게 우주 대폭발의 힘으로 태어난 블랙홀을 '원시(原始) 블랙홀'이라고 한다.

일반적으로 태양과 비슷한 질량을 가진 별은 진화의 마지막 단계에 이르면 백색왜성이라는 밝고 작은 천체가 되어 일생을 마친다. 그러나 태양 질량의 수배가 넘는 별들은 폭발을 일으키며 초신성이 된다. 이때 바깥층의 물질은 우주공간으로 날아가고, 중심부의 물질은 내부를 향해 짜부라져 중성자별이 된다. 이러한 중성자별은 펄서(pulsar)가 발견되면서 그 존재가 확인되었다.

이때 태양보다 10배 이상 무거운 별들은 폭발 때문에 중심부의 물질이 급격히 짜부라진 후에도 그 중력을 이기지 못해 더욱 수축하게 된다. 이러한 수축은 천체의 크기가 슈바르츠실트의 반지름에 이르러서야 정지한다. 천체가 이 임계반지름에 이르면 물질의 모든 사상은 한 점에 모이는, 즉 부피는 0이 되고 밀도는 무한대인 특이현상이 일어나고, 모든 힘을 중력이 지배하게 된다. 이러한 천체는 1783년 영국의 천문학자 존 미첼(John Michell)이 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)에게 보낸 논문에서 처음 생각한 것으로, 그 속을 빠져나오는 데 필요한 탈출속도는 빛의 속도보다 크기 때문에 결국 빛조차 빠져나오지 못하는 현상이 일어난다.

이러한 천체는 직접 관측할 수 없는 암흑의 공간이라는 뜻에서 블랙홀이라 부르게 되었다. 일반상대성이론에 따르면 블랙홀은 아주 강력한 중력장을 가지고 있기 때문에 빛을 포함하여 근처에 있는 모든 물질을 흡수해 버린다. 그래서 블랙홀의 내부는 외부와 전혀 연결되지 않은 하나의 독립된 세계를 이룬다. 블랙홀은 오랫동안 이론적으로만 존재해왔으나, 인공위성의 X선망원경으로 '백조자리 X-1'이라는 강력한 X선원을 발견하여 그 존재가 확실해졌다. 백조자리 X-1은 청색 초거성과 미지의 천체가 쌍성(雙星)을 이루고 있는데, 초거성으로부터 물질이 흘러나와 미지의 천체 쪽으로 끌려들어가는 것이 확인되었으며, 아마도 미지의 천체는 블랙홀로 되어 있을 것으로 추측할 수 있다.

한편, 우주의 탄생과 함께 생겨난 원시블랙홀 중에는 태양 질량의 30억 배에 달하는 거대한 것과 빅뱅 후 플랑크시간이라는 아주 짧은 시간 동안 심한 충격파에 의해 생겨난 미소블랙홀이 있다. 영국의 우주물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 1975년에 발표한 이론에 따르면, 이 미소블랙홀은 크기가 10-37cm쯤이고, 질량이 10-11g 정도로 아주 작은 것들로서 시간이 지남에 따라 질량을 잃고 증발하며, 이때 빨려 들어간 정보도 함께 소멸한다. 그러나 2004년 7월 스티븐 호킹은 '블랙홀로 빨려 들어간 정보가 방출될 수도 있다'고 밝히며 그동안의 자신의 이론을 수정하였다. 블랙홀은 우리 은하계 안에도 약 1억 개가 있을 것으로 추산된다. 특히 구상성단의 중심에는 태양 질량의 1천 배에 해당하는 거대한 블랙홀이 있고, 은하계 중심에는 태양질량의 10억배, 은하단의 중심에는 태양 질량의 1014배나 되는 큰 블랙홀이 있을 것으로 추정된다.