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이번 포스팅에서는 블랙홀은 대중들에게 어떻게 알려지게 되었고, 블랙홀은 어떻게 찾는가?, 기본 입자 크기의 작은 블랙홀에 대해서 알아보겠습니다.
알 수 없는 블랙홀은 대중들에게 어떻게 알려졌는가?
1960년대에는 X선과 퀘이사, 펄서가 차례로 발견되어 방대한 양의 에너지를 방출했습니다. 이로 인해 이전 연구가 자세히 검토되었습니다. 특히 1963년에 발견된 슈바르츠실트 해와 뉴질랜드 수학자 커가 주목을 받았습니다. 커는 중력원이 회전할 때 구형 대칭 진공에 대한 해결책을 모색했습니다. 이로 인해 슈바르츠실트 해가 회전하게 되고, 특이점은 생각의 지평선 위의 적도에서 고리 모양을 하고 있습니다. 미국의 물리학자 휠러가 올해 이 이상한 물체를 블랙홀이라고 이름 지으면서 대중에게 널리 알려지게 되었습니다.
항성은 항성 내부의 중력과 압력이 균형을 이루고 있기 때문에 구형을 유지하고 있습니다. 압력에는 한계가 있지만, 중력은 무한히 강해질 수 있습니다. 이 때문에 중력이 매우 강한 항성은 힘의 균형이 깨지면서 계속 수축하여 중력 붕괴를 일으킵니다. 그리고 강한 중력에 의해 공간이 변형되어 시간의 흐름이 늦어지게 됩니다. 또한 항성 표면에서 방출되는 빛의 파장은 점점 길어져서 적색으로 진행하게 됩니다. 이 수축은 천체의 크기가 슈바르츠실트 반지름에 도달할 때 비로소 멈추게 됩니다. 항성의 반지름이 슈바르츠실트 반지름에 도달하면 빛의 파장은 무한대가 되어 결국에는 관측할 수 없게 됩니다.
슈바르츠실트의 계산에 따르면 이론적으로 어떤 물질이든 블랙홀이 될 수 있습니다. 지구를 블랙홀로 만들려면 지구를 반지름 0.9cm 이하로, 태양을 반지름 2.5km 이하로 압축해야 합니다. 하지만 우주 공간에서 물질을 이 정도로 압축하는 압력은 항성의 초신성 폭발이 일어날 때만 가능합니다.
신비한 블랙홀은 어떻게 찾는가?
블랙홀이 존재한다고 해도 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀을 어떻게 찾을 수 있을까요? 블랙홀이 단독으로 존재한다면 그 존재를 알기란 매우 어렵습니다. 하지만 우주에는 부드러운 별들이 많이 존재합니다. 따라서 부드러운 별들 중 하나가 붕괴되어 블랙홀이 형성되면 그 존재를 관찰할 수 있게 됩니다. 블랙홀의 강한 중력에 의해 다른 별의 가스가 빨려 들어갈 때 매우 강한 X선을 방출하기 때문입니다. 결국 블랙홀을 찾기 위해서는 강한 X선을 방출하는 X선 별을 찾아야 합니다. 중성자와 분리된 X선을 방출하지만, X선을 방출하는 별의 질량이 태양 질량의 2배 이상이라면 블랙홀일 가능성이 높습니다.
최근 여러 대의 X선 천체 위성이 X선 별들을 관측하여 블랙홀일 가능성이 높은 것들을 발견했습니다. 가장 유력한 것은 지구에서 8,000광년 떨어진 오리온 팔에 있는 백조자리 X-1입니다. 백조자리 X-1은 은하계에서 가장 강력한 X선원 중 하나로 1초에 1,000번 깜박입니다. X선의 세기는 0.05초 이하로 급격히 변하는데, 이는 X선원이 매우 작다는 것, 즉 블랙홀이라는 것을 나타냅니다. 또한 블랙홀 후보로는 은하계의 A0620-00 소프트 시스템과 헤마젤란 성운의 LMCX-1 또는 LMCX-3이 있습니다. 퀘이사나 활동은하의 중심은 매우 밝으며, 그 중심에서 제트가 분출되는 것이 종종 관측됩니다. 방출되는 에너지는 초신성 폭발의 수만 배에서 수십억 배에 이르는 엄청난 크기입니다. 더욱이 그 에너지는 태양계와 마찬가지로 매우 작은 곳에서 흘러갑니다. 거래 질량이 태양 질량의 수십억 배에 달하는 블랙홀이 있을 것으로 추정됩니다. 블랙홀은 주변의 가스가 폭발적인 운동이나 남아 있는 가스의 빛 에너지로 떨어질 때 방출되는 중력 에너지를 효율적으로 변환시킬 수 있기 때문입니다.
기본 입자 크기의 작은 블랙홀
호킹의 연구는 우주의 초기에도 기본 입자 크기의 미니 블랙홀이 생성될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 빅뱅 우주의 초기에는 밀도의 변동으로 인해 극도로 밀도가 높은 시공간이 블랙홀이 되었습니다. 그 시간은 빅뱅 이후 약 1초도 되지 않은 시간이었습니다. 그중에서 양성자 크기 이상의 작은 블랙홀은 오늘날 존재할 가능성이 높습니다.
블랙홀은 계속해서 질량이 커질 수 있습니다. 결국 블랙홀 주변의 모든 가스와 빛이 블랙홀로 흡수됩니다. 하지만 호킹 박사의 연구 결과에 따르면 블랙홀은 삼켜질 뿐만 아니라 점차 증발하면서 사라진다고 합니다. 이는 양자장 이론이 예측한 진공의 요동 때문입니다. 양자장 이론에 따르면 진공은 물질이 전혀 없는 빈 공간이 아니라 수많은 기본 입자들이 생성과 소멸을 반복하는 곳이며, 진공 속에서 입자와 반입자의 쌍은 한쪽은 양의 에너지로, 다른 한쪽은 음의 에너지로 생성될 수 있습니다. 중력이 상상을 초월할 정도로 강한 곳에 한 쌍의 입자가 형성되면 그 입자 중 하나가 블랙홀에 흡수될 수도 있습니다. 그러면 파괴할 파트너가 없기 때문에 남아 있는 입자는 날아가 버립니다. 멀리서 보면 양의 에너지 입자가 방출되어 블랙홀이 질량을 잃어가는 것처럼 보입니다. 즉 블랙홀이 점점 증발하는 것처럼 보입니다. 이렇게 하면 블랙홀의 에너지가 방출될 수 있습니다. 이런 관점에서 보면 블랙홀은 어둡고 어둡습니다. 블랙홀은 질량이 작을수록 증발이 심합니다. 블랙홀의 온도는 질량에 반비례하여 상승합니다. 일단 양의 에너지를 가진 입자들이 증발하기 시작하면 온도는 상승하고 입자들의 방출은 더욱 심해집니다. 증발의 마지막 단계에서는 많은 종류의 입자들과 반입자들이 대량으로 빠져나갑니다.
대량의 입자와 반입자가 멸종 직전에 터져 나와 감마선이 폭발하면서 초신성 폭발과 같은 모습을 만들어냈습니다. 우주 초기에 만들어진 미니 블랙홀이었다면 그 극심한 증발을 관찰할 수 있었을 것입니다. 질량이 모두 증발하면 남는 것이 아무것도 없습니다. 하지만 평평한 구조가 만들어질 것입니다. 우주 초기에 형성된 미니 블랙홀 중 일부는 이미 이렇게 사라졌습니다.