다시 또 이렇게 부족한 실력으로 글을 쓰게 되었습니다. 아직도 머릿속에서 정리되지 않은 지식들이 뱅글뱅글 어지러이 돌아다니고 있지만 일단 정리를 위해서라도 글을 계속 적어나가도록 하겠습니다.
첫 글에서 블랙홀의 탄생에 대해 다루어보았으니 이번에는 블랙홀이라는 천체의 특징에 대해서 한번 이야기 해보려고 합니다. 이 과정에서 필요한 물리적 지식들을 몇개 설명하며 넘어가도록 하겠습니다. [눈이 뱅글뱅글 ] 그럼 시작합니다.
본문에서는 편의상 경칭은 생략하겠습니다.
About Blackholes 2 ---
거대한 별의 죽음으로 블랙홀이 탄생하였다. 사실 이것이 정답인지는 아무도 모른다. 단지 이 가설이 블랙홀의 탄생을 설명하기에 가장 적합하기에 유용한 이론으로써 사용되는 것 뿐이다. 애초에 빛이 탈출하지 못하니 일반적인 방법으로는 관측도 할 수 없다. 사실 블랙홀은 커녕 중성자성 또한 대단히 작고 차갑기 때문에
일반적인 방법으로는 관측 또한 잘 안된다. (중성자성이 실제로 관측된 것은 1967년에 펄사를 관측함으로써 이루어 졌다). . 그런데 우리는 블랙홀이 라는 천체의 존재를 알고 이름까지 붙여서 연구에 골머리를 싸매고 있다.
첫번째 문제다. 빛 조차 탈출할 수 없는 이 천체의 존재를 어떻게 확인 할 수 있었는가?
사실을 말하자면 추측이다. 여러가지 증거로 미루어볼때 블랙홀이라는 천체가 있을 때야 비로소 저 현상을 맞게 설명할 수 있다고 하는 것이다. 블랙홀이 아니면 안되는 그러한 증거들을 계속 쌓아서 따라서 블랙홀은 아주 높은 확률로 존재할 것이다 - 라고 주장하는 것이다.
일단 가장 블랙홀의 존재를 의심케 한 요인은 거대한 적색 편이(red shift)이다. 스펙트럼이 본래 나타나야 하는 위치보다 짧은 파장에 나타날 때, 짧은 파장인 파란색 쪽으로 움직였다 해서 청색 편이라 하고, 본래 나타나야 하는 위치 보다 긴 파장에 나타날 때, 긴 파장인 붉은색 쪽으로 움직였다고 해서 적색 편이라고 부른다. 흔히들 말하는 도플러 효과가 바로 이것이다.앰뷸런스가 사이렌을 키고 열심히 달려올 때, 음원(소리의 근원)이 관찰자인 내 쪽으로 움직이고 있으므로, 속도 효과가 추가되어 파장이 짧아지는 효과가 나타나서 사이렌 소리는 평소보다 고음으로 들려온다. 그리고 앰뷸런스가 나를 지나 멀어져가면 음원이 나에게 멀어지는 쪽으로 이동하므로, 속도 효과가 제거되어 파장이 길어져 사이렌 소리는 평소보다 늘어지는 소리로 들린다. 음파나 전자기파나 파동인건 매한가지 이므로 똑같이 취급해 주면 된다.
청색으로 편이하건 적색으로 편이하건 스펙트럼 자체의 간격은 같으므로 (스펙트럼 전체가 단파장, 장파장으로 같은 거리만큼 움직인다.) 그것을 이용해 어떤 원소들의 스펙트럼인지를 판단한 후 편이의 방향을 보아 해당 물체가 관찰자인 나에게 가까워지는 지 혹은 멀어지는지를 판단 할 수있다.
사실 처음 우주론을 연구하던 학자들은 우주는 정적인 상태를 유지하고 있고 은하들이 각기 제 멋대로 움직인다고 생각하여 각 은하들의 편이는 청색편이와
적색편이가 골고루 섞여 나올 것이라 예측했다. (은하들의 움직임이 제멋대로라면 우리 은하로 가까워지는 녀석도 있을 것이고, 멀어지는 녀석도 있을것이다)
그런데 모든 은하들의 스펙트럼을 관측해본 결과 놀랍게도 모든 은하들은 '적색편이'를 나타내는 것으로 드러났다. 즉, 모든 은하들은 우리 은하로 부터 멀어지고 있는 것이다. 이것이 의미하는 것은 우리 우주 자체가 팽창하고 있다는 것을 이야기 해준다. 그리고 멀리 있으면 멀리 있을 수록 이러한 적색편이는 크게 나타난다.(풍선에 점을 잔뜩 찍어놓고 바람을 불어 풍선을 커지게 하면, 풍선 표면에 찍혀 있는 점들 사이의 거리는 서로서로에게 계속 멀어지기만 한다. 거기에 중심이 되는 점 같은 것은 없다.)
이 것을 바탕으로 더 생각을 진행시켜 보자. 학자들은 어느날 대단히 큰 적색편이를 나타내는 천체를 발견했다. 그 적색편이는 놀라울 정도로 커서 그 상태 그대로 속도를 계산해보니 광속을 넘는 결과가 나왔다. 그러나 우리는 이미 상대성 이론에 따라 어떠한 물체도 광속을 넘을 수 없다는 것을 알 수 있다. 그러나 그 천체의 적색편이 정도로 미루어 볼때에 분명 그 천체는 광속을 넘는 속도로 움직이고 있다. 이게 어찌된 일인가? 사실 적색편이나 청색편이들을 일으키는 요인이 음원의 이동속도 만이 있는 것은 아니다. 알다시피 빛은 파동성과 입자성을 동시에 띄므로 , 중력의 영향을 받는다. 그래서 만일 해당 빛에 중력이 작용하게 되면 도플러 효과가 발생하게 된다.
즉, 이게 음원의 속도로 인한 편이와 중력으로 인한 편이가 동시에 작용하는 것이다. 아무튼 그 어마어마하게 큰 적색편이를 나타내는 천체를 발견했다. 그래서 학자들은 2가지 경우를 생각했다. 중력에 의한 적색편이가 크게 작용해서 그렇고, 거리는 가까운 경우와 거리에 의한 적색편이가 크고 중력에 의한 요인은 그저그런 경우. 첫번째 케이스인 중력에 의한 적색편이가 클 경우를 생각해보니 이 정도로 적색편이를 만들려면 그 별은 무지막지하게 무겁고 뜨거워야 한다. 이러한 별이 우리 근처에 있다면 태양계의 행성 궤도조차 교란할 정도이다. 그러나 사실 우리 궤도는 멀쩡하다. 그러니 정답은 두 번째. 거리에 의한 적색편이가 크고 중력에 의한 요인이 같이 작용하는 것이다. 라는 결론이 내려진다. 그런데 여기서 또 고려해야 하는 것이 우리 생활에서도 상식적으로 알 수 있듯이,
빛이라는게 이론대로 무한히 진행하지 못한다는 것이다. 우리가 새벽근무나갈때 켜는 라이트는 기껏해야 수십 미터 앞을 비춰줄 뿐이다. 그 이상으로는 공기에
의한 산란이 빛의 에너지를 다 먹어치워 라이트 불빛은 얼마진행하지 못한다. 이것은 우주에서도 마찬가지이다. 아무리 우주가 진공에 가깝고, 방해물이 적다해도 이론적으로 계산해본 그 천체의 거리는 거의 100억광년 이상에 육박했다. 이 정도 거리라면 어지간한 광원으로는 지구까지 도달하기도 전에 전부 흩어져 버린다. 그렇다면 어떤 천체가 이렇게 엄청난 빛을 낼 수 있을 것인가. 물론 너무나 멀리 있어 관측은 불가능 하지만 학자들은 아주 그럴듯한 모델을 만들어 냈다. 그것이 퀘이사라 불리우는 천체로, 별 한개가 아닌 수십억개의 별이 모인 은하 전체가 중력 붕괴를 일으키는 형태이다. 은하 전체가 중력 붕괴를 일으키면 그 결과는 우리가 생각해보았던 '블랙홀' 모델과 아주 놀라울 정도로 일치한다. 은하 전체가 붕괴를 일으키는데 그것을 '배타원리 척력'따위가 막아낼 턱이 없다. 그래서 사람들은 이런 퀘이사의 중심에는 거대한 블랙홀이 존재할 것이다라고 말하곤 한다.
블랙홀의 존재를 증명하는 다음 증거로는 블랙홀이 쌍성계에서 한 쪽을 담당하는 경우이다. 백조자리 X-1이라는 대단히 강한 X선의 발생원 이 관측되었는데 이 것이 블랙홀 때문이라는 것이다. 우리 태양계의 경우에는 항성이 한개 밖에 없는 단성계이다. 그러나 실제로 대부분의 항성계는 쌍성계(Binary System)을 이루고 있다. [우리 태양계의 경우에는 목성이 쌍성으로 성장할 가능성이 컸으나 질량이 모자라서 그냥 행성으로 주저앉아 버렸다. 학자들 가운데에는 태양계에도 쌍성이 존재할 가능성이 있다고 주장하는 사람들도 있다.] 아무튼 백조자리 X-1에 실제로 관측되는 건 별 1개 뿐이다. 그리고 그 관측되지 않는 상대방 측 별이 블랙홀일 가능성이 높다는 것인데 그 근거는 다음과 같다.
문제는 백조자리 X-1에서 대단히 강한 X선이 계속해서 방출된다는 것이다. X선이라는 것은 흔히들 말하는 X-ray의 그 X선이다. 자외선 보다 한 단계 파장이 짧고 높은 에너지를 가지는 전자기파를 말한다. 이러한 전자기파를 방출하려면 온도가 대단히 높아져야 하는데, 별의 온도가 이 정도까지 특별히 올라갈 이유
도 근거도 없다. 따라서 사람들이 추측하기로는 별에서 블랙홀로 빨려들어가는 물질들이 블랙홀 주변에서 나선을 그리며 (마치 변기 속의 물이 나선을 그리며
빨려 들어가듯이 ) 대단히 빠른 속도로 낙하하면서 온도가 상승하여 X선을 방출한다는 것이다. 이것이 X선을 방출할 정도로 온도가 상승하려면 상대측 별의 질량은 크고 크기는 백색왜성, 중성자 별이나 그 이하의 반경을 가지고 있어야 한다. 백조자리 X-1을 모델로 계산해본 결과 보이지 않는 상대측 별의 질량은 대략 태양의 6배인데, 이렇게 큰 질량을 가지는 별이면 백색왜성이나 중성자성에서 멈출 가능성이 거의 희박하다. 따라서 이 천체는 블랙홀일 가능성이 매우크다. 물론 백조자리 X-1의 상대편 별이 블랙홀이 아닐때X선이 방출되는 모델이 없는 것은 아니나 블랙홀 이론에 비해 합리성이 많이 떨어진다. 따라서 이 백조자리 X-1은 블랙홀이 존재할 가능성이 아주 크다고 하겠다.
(물체가 블랙홀로 빨려들어 갈때 방출하는 X선은 왜 블랙홀로 빨려들어가지 않냐는 질문을 충분히 할 수가 있다. 그 이유는 간단하다. 블랙홀이라는 천체의 크기는 광자가 간신히 블랙홀을 탈출하지 못하고 잡혀있는 경계로 판단하는데, 물체는 그 경계의 아주 바깥에서 부터 나선을 그리며 빠르게 블랙홀로 빨려 들어간다. 물체가 블랙홀의 경계를 넘어서서 방출하는 X선은 블랙홀에 잡혀버리겠지만 그 이전에 방출하는 X선은 여유롭게 블랙홀에서 부터 탈출할 수 있다. 물론 중력에 의한 적색편이는 감수해야 겠지만) 그 밖에도 블랙홀이 존재해야 부드럽게 설명되는 수많은 증거들이 있다.
정리해 보면, 블랙홀의 존재를 알아 내는 것은 직접적인 관측은 분명 아니다. 적색편이, X선 등을 이용한 간접적인 방법이다. 그러나 그렇다고 해서 블랙홀의 존재를 의심하기에는 증거가 너무나도 많이 확보되어 있다. 이정도면 가슴을 펴고 당당히 말해도 좋다. 블랙홀은 분명 있다라고.
두번째 질문은 블랙홀의 온도는 몇도 일까요? 로 가보도록 하자. 내가 써놓고도 상당히 쌩뚱맞지만 뭐 좋은게 좋은거다. 블랙홀은 과연 몇도 일것인가.
워낙 멀리 있을 뿐더러 만일 접근해 봐야 산산조각이나서 특이점과 충돌하는 것으로 일생을 마감하고 말 것이다. 우리가 보통 천체의 온도를 파악하는 방법은 간단하다. 그 천체로 부터 방출되는 빛을 조사하는 것이다. 천체는 자신의 온도에 해당하는 만큼의 전자기파를 방출한다. 즉, 그 전자기파의 파장 분포영역과 세기를 조사해보면 해당 천체가 어느 정도의 온도인가를 조사하는 것은 간단한 일이다. 이제 우리의 관심이 되는 블랙홀을 한 번 생각해보자. 지구로 부터 대략 1광년 되는 가까운 곳에 블랙홀이 존재하고 있다고 하고, 우리는 최첨단 장비를 동원해서 블랙홀로부터 나오는 전자기파를 잡으려고 하고 있다. 장비를 사용해서 측정하려는 순간 우리는 실험의 커다란 오류를 알게 된다. '앗차. 블랙홀은 빛이 탈출 할 수가 없었지' 우리는 실험을 멈추고 궁리하기 시작한다. '빛이 탈출할 수가 없다는 건. 즉, 블랙홀은 어떠한 전파도 방출하지 않는다는 거고. 그것은 즉 블랙홀의 온도는 0K이라고도 말할 수 있지 않을까?'
우리는 결국 블랙홀의 온도는 0K라는 결론에 이르렀다. 온도가 0K이므로, 어떠한 전자기파도 방출하지 않고, 따라서 블랙홀은 소멸하지 않는다. 에너지를 흡수하기만 하고 방출하지 않으므로. '어라? 그럼 블랙홀은 계속 질량을 먹어치워서 성장하기만 하는건가? 그럼 언젠가 이 세상이 블랙홀로 뒤덮여서 멸망하는건가?' 우리는 고개를 갸웃거린다. 하지만 그 외에 다른 결론을 내는 것도 쉽지 않아서 우리는 '블랙홀은 계속 성장하기만 하고 소멸하지 않는다'라는 결론을 내렸다.
여기서 하이젠베르크의 불확정성 원리를 도입하여 생각을 해보자. 한 입자의 위치와 속도를 동시에 측정하는 것은 불가능하다. 만일 한 입자가 존재할 수 있는 영역이 작게 한정되어 버리면 그 입자는 동시에 아주 큰 속도를 가지게 되 튀어 나가버리게 된다. 그런데 0K이라는 것은 입자의 움직임이 '완전히 없다'라는 것을 의미한다. 입자가 움직이면 그것은 곧 '온도'가 있음을 의미한다. 생각해보자. 블랙홀의 온도는 0K이다. 블랙홀 내의 입자들은 모두 정지하여 있다. 입자가 정지하여 있다는 것은 곧 입자들의 위치를 특정 지을 수 있음을 의미한다. 하이젠베르크의 불확정원리에 따르면 입자들의 위치를 특정 지을 수 있다는 것은 곧 입자들의 속도가 무한대임을 의미한다. 입자가 정지하여 있다는 것을 전제로 하였으나 결과는 입자의 속도가 무한대라는 결론에 이른다. 즉, 모순이다. 그러므로 이 우주에서 한 입자를 광속으로 만드는 것이 불가능하고 한 없는 광속에 가까워지는 것만이 가능하듯이 입자를 멈추게 하는 것도 불가능하다. 한 없이 정지에 가까운 입자만이 존재 할 수 있다. 즉, 블랙홀의 온도는 0K일 수 없고, 블랙홀은 전자기파를 방출하여야만 한다. 어라, 빛 마저 탈출 할 수 없는 블랙홀인데..
우리는 고개를 갸웃거리며 '최첨단 장비'를 이용해서 블랙홀에서 나오는 전파를 잡아보기 시작한다. '앗. 잡혔다!' 오오. 이게 왠일인가 빛 마저 탈출 할 수 없다는 블랙홀로부터 우리는 입자를 검출해 내었다. 아까부터 문제가 모순덩어리화 되어가고 있다. 분명 블랙홀의 사건의 지평선 안에서는 어떠한 입자도 탈출할 수 없다. 그런데 우리는 블랙홀에서 나왔다고 생각되는 전자기파를 검출해 내었다. 정답은 간단하다. 블랙홀의 '사건의 지평선'바로 근처의 진공에서 부터 입자가 튀어나온다는 것이다.
지금 이글을 읽는 여러분이 분노로 모니터를 한 대치고 싶은 충동을 느끼실지도 모르겠지만, 사실이 그렇다. 일반적으로 '진공'이라는 것은 '아무것도 없다'는
것을 의미한다. 그런데 그 진공을 한없이 확대하여 양자 스케일의 세계로 들어가보면 아무런 입자도 존재하지 않는 진공이 진공이 아니게 되어버린다. 이른바 '양자적 요동'의 효과가 나타나게 되는 것이다. 다시한번 하이젠베르크의 불확정성 원리를 도입하여 생각을 해보면 완전한 '빈'공간이라는 것은 존재할 수가 없다. 왜냐하면 '빈'공간이라는 것은 전기장이나 중력장의 모든 값이 '정확하게 0'이 되어야 하기 때문이다. 이러한 장의 값과 그 값의 시간에 따른 변화율은 입자의 위치와 속도(위치의 시간에 따른 변화율 )와 상통하는 내용이다. 즉, 장의 값이 정확하게 측정되어 지면 그 변화율은 커져야 한다. 그래서 장의 값은 최소한의 불확정성을 가져야만 한다. 이를 '양자 요동(quantum fluctuation)'이라 하며 쉽게 설명하자면 아무것도 없는 곳에서 입자-반입자 쌍이 툭 튀어나왔다가 사라지고를 반복하는 것이다.
이것은 마치 물컵을 방안에 놔두었을 때 겉으로는 아무 변화도 없어보이지만 자세히 들여다보면 물입자들이 물컵에서 밖으로 마구 튀어나오고 대기 속의 물 입자들이 마구 물컵으로 들어가 아주 혼란스러운 상태인것과 비슷하다. 에너지 보존 법칙에 따라 진공 상태는 에너지가 0이므로 입자-반입자 쌍이 툭 튀어나와도 총 에너지는 0이어야 한다. 즉, 입자는 +의 에너지를 반입자는 -의 에너지를 가진다. 그런데 일반적인 공간에서 입자는 +의 에너지를 가져야 하므로 -의 에너지를 가진 반입자는 매우 불안정해서 바로 +의 에너지를 가지는 입자와 다시 짝을 맺어 에너지를 0으로 만들며 소멸해 버린다. 자 여기서 블랙홀의 시간의 지평선 바로 근처에서 탄생한 입자와 반입자 쌍을 생각해 보도록 하자. 블랙홀의 바로 근처에 있으므로 그 근처에는 엄청나게 강력한 중력장이 전개되어 있을 것이다.
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| 블 랙 홀 | +
A ---------> B
+에너지를 가지는 입자를 A에서 B로 옮긴다고 생각해보자. 중력장에 의해 A입자는 사정없이 블랙홀로 들어가려고 하므로, 우리는 그 중력에 대항하기 위해
에너지를 입자에게 줘서 강제로 B로 옮겨야 한다. 즉, B에 위치하는 입자는 A에 위치하는 입자보다 에너지가 높다. B에너지 > A에너지 . 반대로 생각해보자.
B에서 A로 옮길때 입자가 가지는 에너지는 감소한다.
이는 만일 입자로 탄생해서 +의 에너지를 가지는 입자라고 해도 블랙홀로 접근하는 과정에서 에너지를 잃어서 입자가 -의 에너지를 가질수도 있다는 이야기가 된다. 입자가 반입자가 될 수 있다면, 반대로 반입자는 입자가 될 수도 있다. 그래서 블랙홀 근처에서 입자와 반입자 쌍이 턱하니 생겼는데 운 나쁘게도 반입자는 블랙홀의 사건의 지평선을 넘어 블랙홀의 특이점으로 빨려들어가 버리면 남는건 +입자만 남는다. 이 +입자 또한 블랙홀로 떨어질 수도 있겠지만, 밖으로 나갈 수도 있다. 즉, 블랙홀 바로 근처의 수 많은 입자와 반입자 쌍 들 중에서 어떤 입자들은 블랙홀에서 바깥으로 나갈수 있다는 이야기이다. 이것은 상대적으로 엄청나게 멀리있는 관측자가 보기에는 마치 블랙홀이 흑체복사로 입자를 방출한 것처럼 보이게 한다. 즉, 블랙홀 또한 빛을 방출한다는 이야기이다. 그래서 블랙홀의 온도는 0K는 아니고 대략 1/10000000 K 정도의 초저온 상태로 존재하고 있다.