블랙홀이란

   블랙홀이란

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블랙홀(Black hole)은 강력한 중력으로 인해 입자나 전자기 복사를 비롯한 그 무엇도 빠져나올 수 없는 시공간 영역이다. 일반상대론은 충분밀집된 질량이 시공을 뒤틀어 블랙홀을 형성할 수 있음을 예측한다. 블랙홀로부터의 탈출이 불가능해지는 경계를 사건의 지평선이라고 한다. 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우, 그 물체에게는 파멸적 영향이 가해지겠지만, 바깥 관찰자에게는 속도가 점점 느려져 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보인다. 블랙홀은 빛을 반사하지 않기에 이상적 흑체처럼 행동한다. 또한 휘어진 시공간의 양자장론에 따르면 사건의 지평선은 블랙홀의 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체와 같은 스펙트럼의 열복사를 방출하며, 이를 호킹 복사라고 한다. 항성질향 블랙홀의 경우 이 온도가 수십업분의 1켈빈 수준이기에 그 열복사를 관측하는 것은 본질적으로 분가능하다.

중력장이 너무 강해서 빛이 탈출할 수 없는 천체의 개념은 18세기에 존 미첼과 피에르시몽 라플라스가 처음 생각해냈으며, 블랙홀로 특징지어지는 일반상대론의 최초의 근대적 해는 1916년 카를 슈바르츠실트가 발견했다. 다만 아무것도 탈출할 수 없는 공간상의 영억이라는 해석은 1958년 데이비드 핀켈스타인의 논문에서 처음 등장했다. 블랙홀은 오랬동안 수학적 관심의 대상이 되었다. 1960년대 블랙홀이 일반 생대론에서 유도됨을 증명하는 이론적 연구들이 행해졌다. 중성자별의 발견은 중력분되한 밀집성이 천체물이학적 실체로서 존재할 가능성에 대한 관심을 촉발시켰다. 

항성질량 블랙홀은 매우 질량이 큰 항성들이 수명이 다헀을 때 붕괴하여 만들어지는 것으로 생각된다. 블랙홀은 형성된 뒤에도 주위의 질량을 흡수하여 성장할 수 있다. 다른 항성을 흡수하거나 블랙홀들끼기 융합하면서 수백만 M_☉에 달하는 초대질량 블랙홀이 형성될 수 있으며, 대부분의 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이 혼재한다는 것이 과학꼐의 일반적인 견해이다.

블랙홀의 안을 들여다 볼 수는 없지만, 블랙홀이 다른 물질과 상호작용하는 것을 통해 그 성질을 알아낼 수 있다. 블랙홀 위로 낙하한 물질은 강착원반을 형성하고, 원반은 마찰열로 인해 뜨거워져 열복사로 빛난다. 우주에서 가장 밝은 천체인 퀘이사는 이러한 과정을 통해 만들어진다. 블랙홀 주위를 공전하는 가른 항성의 경우, 그 궤도를 통해 블랙홀의 질량과 위치를 비정할 수 있다. 이러한 관측을 통해 중성자별을 비롯한 다른 유사 천체들을 제외함으로써 천문학자들은 블랙홀 후보들이 포함된 쌍성계를 셀 수 없이 많이 발견해냈고, 우리은하 중신 방향에 존재하는 전파원 궁수자리A*가 4백3십만 M_☉의 초대질량 블랙홀임을 밝혔다.

2016년 2월 11일 LIGO 합동연구진은 두개의 블랙홀이 서로 융합하면서 발생한 중력파를 감지함으러써 역사상 최초의 중력파 관측에 성공했다고 발표했다. 이는 최초의 중력파 관측이며 동시에 최초로 블랙홀 쌍성계 융합이 관측된 사례이기도 하다.

블랙홀의 성질과 구조

블랙홀은 형성된 이후 안정된 상태에 도달하면 오로지 세개의 독립적인 물리량, 즉 질량ㆍ전하ㆍ각운동량 만을 갖게된다. 이 물리량 또는 변수들이 동일한 두개의 블랙홀은 고전역햑을 통해 구분하는 것이 불가능하다. 이성직은 블랙홀 바깥에서 볼 수 있다는 점이 매우 특별하다. 에컨데 대전된 블랙홀은 다은 대전된 물체처럼 척력을 발생시킨다. 질량의 경우, 블랙홀을 포함하고 있는 구 안의 질량은 가우스법칩의 중력적 상사형인 ADM질량을 통해 블랙홀에서 멀리 떨어져서도 알아낼 수 있다. 또한 각 운동향은 중력 자성에 의한 틀끌림을 통해 블랙홀에서 멀리 떨어져서 알아냘 수 있다.

어느 물체가 블랙홀을 향해 낙하하면, 그 물체의 모양이나 그 물체에 분포하고 있는 전하에 대한 정보가 블랙홀의 지평선을 따라 균득하게 분산되면서 블랙홀 바깥의 관찰자에게는 그 정보가 소실된다. 이 상황에서 지평선의 양태는 마치 마찰과 전지저항이 있는, 신축성과 전도성을 가진 막과 매우 유사한 산일구조가 된다. 이는 시간 가역성을 갖기에 미시적 수준에서 마찰이나 저항을 가지지 않는 전자기장따위의 다른 장 이론과 구분되는 지점이다. 블랙홀은 오직 세 개의 변수에 의해 안정적 상태에 도달하기 때문에, 블랙홀 안에서 최초의 상태에 관한 정보를 소실하지 않을 수 있는 방법은 없다. 블랙홀의 중력장과 전기장은 그 안으로 들어간 것에 대한 정보를 거의 제공하지 않는다. 이렇게 소실되는 정보에는 블랙홀 지평선에서 멀리 떨어진 곳에서는 측정할 수 없는 모든 물리량이 포함된다. 중입자수나 경입자수 같은 보조된 양자수도 그 예시이다. 이 곤혹스러운 성질을 일컫어 블랙홀 정보역설이라고 부른다.