블랙홀 블랙홀 관측, 증거

블랙홀에 대해서

 

블랙홀. 말 그대로 검은 구멍이라는 뜻이다. 중력이 너무 강한 나머지 빛마저 탈출하지 못한다고 알려져 있는 블랙홀은 무엇이며, 어떤 방식으로 생성되었을까?

 

블랙홀에 대해서 알아보기 전에, 우리는 별에 대해서 알아야 한다. 우리가 잘 아는 태양을 예로 들어보자. 태양은 엄청난 중력을 가지고 있다. 이 중력으로 태양계에 존재하는 수많은 천체들을 힘으로 잡고 있다. 그런데 이렇게 엄청난 중력을 가지고 있는 별은 그 형태를 유지할 수 있는 것일까? 보통 사람들은 이렇게 대답할 것이다. 

 

"그냥... 원래 별은 그렇게 생긴 거 아닌가요?"

 

블랙홀 상상도(출처: 영화 인터스텔라)

하지만, 그렇지 않다. 별이 중력을 이겨내고 그 형태를 유지하는 이유는, 수축하려는 힘인 중력에 반대되는 힘이 존재하기 때문이다. 별을 반짝이게 하는 엄청난 에너지에서 나온 별을 팽창시키려고 하는 힘이 존재하기 때문에 별이 무한히 수축하지 않고 원형을 유지하며 버티는 것이다. 방금 말한 두 힘이 서로 균형을 이루고 있을 때는 상관이 없다. 하지만, 수축하려는 힘과 팽창하려는 힘 사이의 균형이 무너진다면? 수축하는 힘이 커진다면 별은 계속 수축하게 될 것이고, 팽창하려는 힘이 커진다면 별은 계속 팽창하게 될 것이다. 블랙홀은 수축하는 힘이 더 커진 경우이다.

별의 수축하려는 힘인 중력이 팽창하려는 힘보다 커지는 순간이 오면, 이때부터 별은 수축을 시작하면서 작게 압축이 된다. 이렇게 중력이 엄청나게 커져 천체가 수축한 경우에 블랙홀이 생성된다. 

 

블랙홀이 보이지 않는 이유

 

블랙홀이 존재할 것이라는 추측은 예전에도 존재했다. 하지만, 여태까지 블랙홀에 대한 예견만 있고 직접적으로 존재를 확인한 경우는 없다. 존재한다면 볼 수도 있을 것이다, 그런데 왜 지금까지 블랙홀을 볼 수 없었던 것일까? 또 왜 검은 구멍이라는 이름이 붙여졌던 것일까?

 

아까 위에서 설명했던 블랙홀에 대한 설명으로 돌아가 보자. 별과 같이 질량이 아주 큰 천체가 엄청나게 수축한 것이 블랙홀이라고 설명했었다. 그런데 이렇게 크기는 작아졌는데 질량이 매우 큰 경우, 블랙홀은 주변의 공간을 엄청나게 휘게 만든다. 이렇게 휘어진 공간에서, 빛은 들어올 수는 있지만 나갈 수는 없는 상태가 된다. 우리가 어떤 물체를 관측한다는 것은, 내보내거나 반사된 빛이 눈으로 들어온다는 뜻인데, 이렇게 빛이 나갈 수 없는 상태(탈출 속도가 광속을 넘는다)가 되어서 우리가 관측하지 못하게 된 것이다. 참고로 지구 정도 질량을 가진 천체는 블랙홀이 될 수 없지만, 예를 들어서 지구가 블랙홀이 되려면 탁구공의 크기가 되어야 한다.

 

 

청색 거성으로부터 물질을 빨아들이는 블랙홀 상상도. 출처 : 국제 전파 천문 연구 센터 International Centre for Radio Astronomy Research

블랙홀의 간접적 증거

 

블랙홀은 우리가 가진 관측장비로는 관측할 수 없었지만, 블랙홀이 존재한다는 것이 인정을 받았던 이유는 무엇일까? 그건 블랙홀을 직접 관측할 수는 없지만, 블랙홀이 존재한다는 간접증거가 존재했기 때문이다. 여기에서 블랙홀이 존재한다는 간접적인 증거 두 가지를 알아보겠다. 

 

첫 번째, 빈 공간을 중심으로 공전하는 별

 

태양계를 생각해보자. 태양계에 있는 천체들은 태양이라는 거대 질량을 가진 천체를 기준으로 공전하고 있다는 사실을 모두 알 것이다. 천체들이 다른 큰 질량을 가진 천체를 중심으로 공전하기 때문이다. 그런데, 만약 별과 같은 천체들이 공전을 하는 모습이 보였는데, 중심에 아무것도 보이지 않는다면 어떤 추론을 할 수 있을까?

실제로 우리 은하 중심부의 별들을 관측을 했을 때, 아무것도 없는 공간을 중심으로 공전하는 모습이 관측됐다는 결과가 관측되었고, 계산해본 결과 이 별들 사이에는 태양 질량의 400만 배 정도의 천체가 있어야 했다. 따라서 위의 연구 결과에 따라, '별들의 중심에는 블랙홀이 있을 것이다'라는 추론이 가능했다.

 

두 번째, 블랙홀 관측

 

블랙홀은 모든 빛을 흡수하기 때문에, 실제로 블랙홀 그 자체를 관측할 수는 없다. 그런데 제목이 블랙홀 관측인 이유는 무엇일까? 이는 실제로 2019년 4월에 촬영된 사진이다.

 

2019년 4월 촬영된 블랙홀 그림자 출처 : EHT(Event Horizon Telescope)

'블랙홀'이 아니라 블랙홀 그림자인 이유는 무엇일까? 위에서 말했듯이, 블랙홀 자체는 빛이 탈출할 수 없기 때문에 관측할 수 없다. 하지만 블랙홀에 별과 같은 천체들이 회전을 하며 빨려 들어가는데 이때 서로 충돌하여 빛이 발생하기 때문에 보이는 블랙홀의 강착 원반은 이론적으로 예상이 되었는데, 이 강착 원반(블랙홀의 그림자)을 촬영한 것이다. 이는 블랙홀의 존재에 대한 간접적인 증거인 동시에 매우 강력한 증거로 받아들여진다. 이 사진으로 블랙홀의 존재를 눈으로 확인할 수 있었고, 공로를 인정받아서 교수진들이 노벨 물리학상을 받게 된다.