우주 속 대표적인 미스터리 중 하나로 여겨지는 것은 바로 블랙홀 현상입니다. 이 글에서는 여전히 여러 가지 궁금증이 풀리지 않는 블랙홀의 이론과 최초 관측사례에 대해 알아보고 블랙홀의 탄생 과정 그리고 블랙홀 안에서 어떤 현상이 발생하는지 살펴보도록 하겠습니다.
블랙홀 이론과 관측
블랙홀은 매우 큰 물체를 압축하면 중력이 매우 강력해져 빛조차 빠져나올 수 없는 이벤트 호라이즌이 형성된다는 논리입니다. 최초로 알려진 블랙홀은 고대 아르키메데스의 시대로 추정되지만, 실제로 블랙홀을 발견하고 관찰한 것은 최근의 일입니다. 18세기 초 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론이 소개되면서 블랙홀은 이론적으로 가능할 것이라고 예측되었습니다. 실제로 우리가 블랙홀이 존재하는 것을 관측한 것은 20세기였습니다. 1964년 존 미첼과 로저 펜로즈는 별을 관측하면서 발견된 이상한 현상을 블랙홀 이론으로 설명했습니다. 그 후 1971년과 1972년에는 블랙홀 후보로 의심되는 산란현상을 관측했습니다. 그리고 LIGO와 Virgo 공동연구단은 중성자별 두 개가 합쳐져 블랙홀로 진화하는 과정을 처음으로 관측했다고 합니다. 최근 NASA의 이벤트 호라이즌 팀은 M87 은하의 중심에 있는 블랙홀 사진을 세상에 공개했습니다. 이 사진은 인류의 역사상 처음으로 블랙홀의 모습을 이미지로 담은 것으로 전 세계적인 관심을 끌었습니다. 이 사진은 블랙홀이 근처의 빛을 흡수하는 이벤트 호라이즌 영역을 포착한 것으로 우리가 직접 관측한 역사적인 순간이었습니다.
블랙홀의 탄생 과정
최초의 블랙홀의 생성은 거대한 별들의 진화와 관련되어져 있으며 매우 복잡한 과정을 거칩니다. 블랙홀은 태양보다 수십 배나 큰 질량을 가진 거대한 별들로부터 생성된다고 합니다. 이 거대한 별들은 처음에는 분자구름이라고 불리는 우주 공간에 있는 가스와 먼지의 구름으로부터 형성되는데, 결국 중력이 나타나게 되면 먼지 구름은 사라지게 되고 별이 탄생하게 됩니다. 이 거대한 별들은 중심부에서 핵융합 반응이 일어나는데 이런 핵반응이 외부 압력에 대항하는 힘을 만들어 별을 유지시킵니다. 대신 이 중력과 압력의 균형으로 별은 수백만 년 동안 계속해서 빛날 수 있게 됩니다. 시간이 흐르면서 별들은 중심부에서 탄소, 규소, 철 등의 원소들을 서서히 형성하게 되는데 중심부가 철을 융합하기 시작하면 한계에 이른다고 볼 수 있습니다. 이전의 핵융합 반응과는 달리 철을 포함한 핵융합은 에너지를 흡수하여 진행되고, 결국 중심부가 붕괴되면서 별은 종말을 맞게 됩니다. 중심부의 내부 폭발을 초신성이라고 하는데, 이 초신성 폭발 동안 별의 바깥층들이 우주로 방출되어 빛과 에너지의 찬란한 빛을 만들어냅니다. 그리고 중심부가 붕괴하면 슈나이더 경계라고도 불리는 블랙홀이 형성되는데, 여기서 별의 중심부가 무한히 우주로 끌려 들어가 중력이 극도로 강력해지면서 모든 물질과 빛을 흡수하는 상태가 됩니다. 이 경계는 빛도 빠져나갈 수 없는 경계로 우리는 블랙홀이라고 부릅니다. 블랙홀은 아마도 우주에서 가장 신비로운 현상일 것입니다.
내부에서 발생하는 현상
우리는 일상생활에서 블랙홀이라는 표현을 많이 사용해왔습니다. 예를 들어, 우리가 무엇인가 논리적으로 인식하거나 해결할 수 없다면 블랙홀에 빠졌다는 표현을 많이 씁니다. 실제로 블랙홀에서 어떤 일이 일어날 수 있는지 설명하자면 다음과 같습니다. 먼저 블랙홀이 만들어지면 내부 중력은 매우 강해서 빛조차도 이벤트 호라이즌 안에서 빠져나갈 수 없습니다. 그 결과, 블랙홀은 주변의 모든 빛을 흡수하고 반사하지 않으며 이 때문에 주변은 어둠에 휩싸입니다. 이런 현상이 바로 블랙홀이라는 이름이 생긴 직관적인 이유입니다. 다음으로 블랙홀은 시간과 공간을 왜곡시키는 기능을 갖고 있습니다. 블랙홀에 가까워질수록 시간은 느려지고, 공간은 굴절된다고 합니다. 이것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 바탕을 둔 현상인데 이로 인하여 블랙홀 주변에서 시간은 다르게 흘러갑니다. 이러한 블랙홀의 특징을 많은 영화와 만화등에서 소재로 사용하기도 했었는데 예를 들어 지구를 떠나 블랙홀을 통과하여 지구로 돌아온 사람은 본인은 단지 몇 년 동안의 여행이었을지 몰라도 실제로는 수백 년이 흘렀다는 등의 이야기입니다. 그리고 블랙홀에 물체가 접근하면, 중력의 차이로 인해 물체가 길게 뻗어 있는 것처럼 보이는 현상이 발생한다고 합니다. 이 현상을 스파게티피케이션이라고 불리는데 이것은 강한 중력으로 인해 물체가 늘어날 때를 말합니다. 이와 같이 흥미로운 변화가 일어나는 블랙홀 현상은 한 번쯤은 경험해 보고 싶은 생각이 들 수도 있겠지만 블랙홀 안에서는 매우 강한 중력의 차이로 인해 물체가 파괴되는 현상이 있다고 합니다. 티더링이라고 불리는 이현상은 어떤 물체가 블랙홀에 접근하면, 먼저 그것의 외곽 부분, 즉 인체로 따지면 머리와 발이 강하게 당겨지고 중력의 차이로 인해 찢어지는 것처럼 파괴된다고 합니다. 그리고 블랙홀에 흡수된 물체가 다시 외부로 나온다는 보장도 할 수 없습니다. 블랙홀에 들어간 물체가 어떻게 될지 아무도 예측할 수 없는 것입니다. 또한 블랙홀에 들어간 후의 정보는 외부로 전달될 수 없습니다. 때문에 시간여행을 위해 또는 블랙홀 속의 세상을 탐구하기 위해 블랙홀로 들어가려는 시도는 모든 것을 걸어야 하는 위험한 일이라고 보입니다.