블랙홀
다른 표기 언어 black hole 동의어 검은구멍요약 강력한 중력으로 모든 것을 빨아들이는 시공간 영역. 질량이 매우 큰 별의 진화 마지막 단계에서 만들어지며, 구성물질이 사방에서 붕괴되면서 중력에 의해 부피가 0이고 밀도가 무한대인 한 점으로 압축된다. 특이점은 검은구멍의 중심이며 '사건의 지평선'이라는 경계선 안쪽을 이루게 되는데, 사건의 지평선 안에서는 탈출속도가 빛의 속도보다 커서 빛조차 우주공간으로 벗어날 수 없다. 태양질량의 3배가 넘는 무거운 별들만이 진화의 마지막 단계에서 검은구멍이 된다. 2019년 4월 10일 인류 역사 최초로 블랙홀을 관측하고 촬영한 영상이 공개되었다.
이것은 질량이 매우 큰 별의 진화 마지막 단계에서 만들어질 수 있다. 이러한 별들은 내부 열핵반응에 필요한 연료가 모두 소모된 마지막 순간에 불안정해져서 자체 중력에 의해 스스로 붕괴되기 때문에 생성된다. 사멸해가는 별은 구성물질이 사방에서 붕괴되기 때문에 특이점(singularity)이라고 하는 부피가 0이고 밀도가 무한대인 한 점으로 압축된다. 블랙홀의 자세한 구조는 아인슈타인의 일반상대성이론으로 계산된다.
특이점은 블랙홀의 중심을 이루고 있으며 '사건의 지평선'이라는 블랙홀의 표면으로 가려져 있다. 사건의 지평선 안에서는 탈출속도(천체의 중력장에서 벗어나기 위한 물체의 속도)가 빛의 속도보다 커서 빛조차 우주공간으로 벗어날 수 없다. 사건의 지평선의 반경은 1916년 복사를 방출하지 않는 붕괴된 항성체가 존재함을 예측한 독일의 천문학자 카를 슈바르츠실트의 이름을 따서 슈바르츠실트반경이라고 한다.
슈바르츠실트반경은 붕괴하는 별의 질량에 비례하는 것으로 생각된다. 태양보다 10배 정도 큰 질량을 갖는 블랙홀의 경우 슈바르츠실트반경은 약 30㎞이다. 태양질량의 3배가 넘는 무거운 별들만이 진화의 마지막 단계에서 블랙홀이 된다. 그보다 질량이 작은 별들은 압축이 작아 백색왜성이나 중성자별로 된다.
블랙홀은 주위 물질에 미치는 중력효과에 의해서만 발견할 수 있으므로, 보통별 근처에서 발견될 가능성이 가장 높다. 만약 블랙홀이 쌍성계를 이루고 있다면, 동반성(同伴星)으로부터 유입되는 물질이 뜨겁게 가열되어 많은 X선을 내면서 사건의 지평선으로 들어가 영원히 사라지게 된다. 많은 연구자들은 X선 쌍성계인 시그너스 X-1(Cygnus X-1)의 동반성 가운데 하나가 블랙홀이라고 믿고 있다. 1971년 백조자리에서 발견된 이 쌍성은 5.6일을 주기로 서로 공전하며 청색 초거성을 동반성으로 갖고 있다.
어떤 블랙홀은 별에 의해 만들어지지 않았다고 생각된다. 이론적으로는 질량에 상관없이 충분히 압축되면 블랙홀이 만들어질 수 있기 때문에 여러 천문학자들은 많은 양의 성간(星間) 가스가 모여 준항성(quasar)이나 특이은하(예를 들어 폭발하는 것처럼 보이는 은하계)의 중심에 있는 초질량의 블랙홀로 붕괴한다고 추측해왔다.
블랙홀로 급속히 유입되는 가스 덩어리는 같은 질량에서 발생하는 핵융합에 비해 100배 이상의 에너지를 발산하는 것으로 추정된다. 따라서 태양질량의 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 성간 가스가 중력에 의해 붕괴된다는 사실로부터 준항성과 어떤 은하계에서 나오는 막대한 에너지를 설명할 수 있다. 1980년대 중반까지 태양의 400만 배에 달하는 질량을 가진 초질량의 블랙홀이 우리은하의 중심에 존재한다는 관측증거가 계속 발표되었다.
영국의 천체물리학자 스티븐 호킹은 별에서 생기지 않은 또 다른 종류의 블랙홀이 존재한다는 것을 제안했다. 호킹의 이론에 의하면, 약 200억 년 전 온도와 밀도가 극히 높은 상태에서 대폭발(big bang)이 일어나 우주가 탄생했을 당시에 소행성 정도의 또는 그보다 작은 질량을 가진 작은 블랙홀들이 많이 생겨났을 것으로 추측했다.
질량이 큰 블랙홀과는 달리 이런 '작은 블랙홀'(mini black hole)은 시간이 지남에 따라 질량을 잃어 소멸하고 만다. 양성자 및 반양성자와 같은 원자구성입자들은 아마도 작은 블랙홀에 매우 가까운 곳에서 생성되었을 것이다. 만약 양성자와 반양성자가 중력(인력)으로부터 탈출한다면 그들은 서로 쌍소멸하고 이런 과정에서 에너지(사실상 블랙홀에서 내보내는 에너지)가 발생한다. 이런 과정이 계속 반복된다면 블랙홀은 모든 에너지, 결국 모든 질량을 잃고 소멸하게 된다.
2019년 4월 10일, 전 세계 13개 연구기관들로 구성된 '이벤트호라이즌망원경(EHT, Event Horizon Telescope, 사건의 지평선 망원경)' 프로젝트의 연구진이 지구에서 5,500만 광년 거리의 처녀자리 은하단 M87 중심부에 존재하는 블랙홀을 관측한 결과와, 이를 촬영한 영상을 세계 최초로 공개했다. 한국의 한국천문연구원도 참여한 이 프로젝트에서는 전 세계 6개 대륙의 전파망원경 8개를 동원하여 2017년 4월 5일부터 14일까지 이 블랙홀을 관측했으며, 약 400억 km에 걸친 블랙홀의 그림자를 관측하고, 그 결과를 보정한 후 영상화 작업을 통해 블랙홀의 영상을 만들었다. 이 블랙홀의 무게는 태양 질량의 65억 배에 이를 것으로 추정되었다.