영화 인터스텔라에서 가장 강력했던 장면은? 블랙혹
영화 인터스텔라를 아주 좋아 합니다.
시각적으로도 좋았고 황폐해지는 지구를 벗어나 새로운 행성을 찾아 떠난다는 것과 그곳을 찾기 위해 블랙홀을 활용한다는 재미난 아이디어도 좋았습니다.
또한 우주의 각 행성에 착륙하여 특징적인 모습을 구현한것도 재밌었고 다시 돌아온 현실이라는 시간은 90년의 차이를 발생시켰다는 아인슈타인의 상대성이론을 구현한것도 재밌었습니다.
그중에서 충격적인 모습을 구현한것이 있었습니다.
바로 블랙홀이었죠
그동안 우리는 까만 점만으로 아니면 둥근모습으로만 상상하고 보아온 블랙홀의 모습은 우주에서는 구형이라는 것을 시각적으로 보여준것이었습니다.
근처에 도착했을때 경계가 구부러져 있는 모습은 빛이 휘어지는것을 표현했다고 합니다.
비로소 정면에서만 블랙홀이 아닌 위아래옆 모든 부분이 블랙홀이라는 것을 알수 있었습니다.
이 놀라운 블랙홀은 어떤 것인지 알아보겠습니다.
블랙홀(Black Hole)이란 중력이 매우 강하여 빛을 포함한 어떠한 물질, 정보도 탈출할수 없는 시공간상의 중력특이점을 말합니다.
일반적으로 무거운 별이 수명이 다했을때 중력붕괴 과정을 통해 만들어집니다.
용어 자체인 블랙홀은 구체의 경계 내부의 빛이 바깥으로는 전달되지 않아 외부에서 보기에는 마치 공간이 텅 비어 있는 암흑처럼 보이기때문에 붙은 명칭입니다.
이 천체는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 처음 예측된 천체로 우주의 가장 극단적인 환경중 하나이며 현대 천체물리학과 이론물리학에서 가장 중요한 연구대상중 하나입니다.
블랙홀은 강한 중력장이 주위 공간을 왜곡하여 모든 물질과 빛을 끌어당기는 천체입니다.
블랙홀의 경계는 Event Horizon(사건의 지평선)이라 부르며, 이 경계선 안쪽으로 들어간 물질이나 빛은 다시 빠져 나올수 없습니다.
그렇다면 가수 윤하의 노래의 시발점이 된 '사건의 지평선'은 정체가 무엇일까요?
블랙홀의 경계를 정의하는 가상의 표면을 말합니다.
위사진에서 보는 것 처럼 시공간이 외곡되는 초반부에 있습니다. 이 반경을 슈바르츠실트반경이라고하며 그 힘은 블랙홀의 질량에 따라 커집니다.
블랙홀의 중심이 되는 밀도와 중력이 무한대가 되는 점이 있습니다. 이곳을 특이점이라고 부릅니다.
일반 상대성 이론에 따르면 이 특이점에서는 시간과 공간이 무한히 왜곡됩니다.
무한한 왜곡이란 시공간이 무한히 휘어지고 기존의 물리 법칙이 적용되지 않는 극단적인 상태를 말합니다.
이는 아직 물리법칙으로 정의할수없는 미지의 세계이며 현대물리학의 중요한 연구주제중의 하나입니다.
인터스텔라의 시간역행이나 시간 복사가 이 특이점을 상상력으로 구현한것이 아닌가 하는 생각을 합니다.
블랙홀은 주변 공간을 강하게 왜곡시켜 그주변을 지나는 빛까지도 휘게 만듭니다. 그것을 중력렌즈효과라고 합니다.
블랙홀은 위의 글처럼 여러특징을 가지고 있습니다.
블랙홀의 형성을 지켜 보면 그 특징이 생기는 원인을 알수 있지 않을까 합니다.
블랙홀은 두가지 주요 경로를 통하여 형성됩니다.
첫번째 항성붕괴
질량이 매우 큰 별이 수명을 다해 초신성 폭발을 일으킨후 중심핵이 중력 붕괴하여 블랙홀이 됩니다.
이과정에서 생성된 블랙홀은 일반적으로 태양 질량의 몇배에서 수십배정도입니다.
두번째 중력붕괴
매우 큰 질량을 가진 물질이 중력에 의해 자체적으로 붕괴하여 블랙홀이 형성될수 있습니다.
이는 초기 우주에서 거대 질량의 가스구름이 붕괴하는 과정 드에서 발생 할 수 있습니다.
그에따라 만들어 지는 블랙홀은 크게 세가지로 나뉩니다.
첫번째는 항성질량 블랙홀입니다.
항성 붕괴에 의해 형성된 블랙홀은 질량이 태양의 몇배에서 수십배에 이른다고 하였습니다.
은하내에 많이 존재하며, 이 블랙홀 주위를 도는 별들의 운동을 통해 발견됩니다.
두번째는 중간질량 블랙홀입니다.
수백에서 수천 태양 질량정도의 블랙호입니다.
항성질량 블랙홀과 초대질량 블랙홀 사이의 질량을 가집니다.
이들은 구상성단이나 작은 은하 중심에서 발견될 수 있습니다.
세번째는 초대질량 블랙홀입니다.
은하 중심에 위치한 거대한 블랙홀로 질량이 태양의 수백만 배에서 수십억 배에 이릅니다.
예를 들어 우리은하의 중심에는 430만 태양질량의 초대질량 블랙홀, 궁수자리 A가 있습니다.
블랙홀과 관련한 물리학은 일반상대성 이론과 양자역학을 통해 연구되고 설명됩니다.
주요개념에 대해 알아볼까요?
1. 블랙홀 열역학
블랙홀도 열역학 법칙을 따릅니다.
블랙홀의 포면적은 엔트로피와 비례하며 블랙홀의 질량, 표면 중력, 전하, 각 운동량등이 이에 영향을 미칩니다.
*엔트로피란? 에너지는 에너지인데 유용하지않은 에너지의 흐름을 설명할때 사용하는 용어이며 함수입니다.
쉽게 말하면 열의 이동과 함께 사용할수있는 에너지의 감소정도나 사용할수없는 에너지의 증가정도를 나타내는 양을 뜻합니다.
또한 블랙홀의 온도는 호킹복사에 의해 설명됩니다. 블랙홀이 양자 역학적 효과로 인해 열복사를 방출하고 점차 질량을 잃어 증발할 수 있음을 의미합니다.
2. 정보역설
블랙홀에 의해 삼켜진 어떤 정보가 사라지는가에 대한 문제로, 호킹복사에 의해 블랙홀이 증발하면서 그 안에 포함된 정보가 어떻게 되는지에 대한 논란입니다.
스티븐호킹박사의 논문에서 공개된 내용이며 절대로 파괴될수없는 어떤것은 블랙홀내부에선 파괴될수도 있다는 것을 제기한것입니다.
그렇다면 절대로 파괴되지않는 정보란 무엇일까요? 바로 그것이 양자적 정보를 의미하는 것입니다.
이는 양자 역학과 일반 상대성 이론의 통합문제를 다루는 중요한 주제입니다.
아주 멀리 있는 이런 블랙홀은 어떤식으로 관측되고 연구를 하는 것일까요?
직접적으로 관측은 할수 없지만 그 영향력은 다양한 방법으로 관측됩니다.
2015년 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)와 Virgo간섭계를 통해 두 블랙홀이 합쳐지는 과정에서 발생하는 중력파가 최초로 검출되었습니다.
이는 블랙홀의 존재를 직접적으로 증명하는 중요한 발견이었습니다.
x선 및 감마선관측을 통해 블랙홀을 연구할수 있습니다. 블랙홀 주위로 떨어지는 물질이 강한 중력장에 의해 가속되면서 x선이나 감마선을 방출하는 것을 관측하기 때문입니다.
그리고 2019년 이벤트 호라이즌망원경(EHT) 프로젝트를 통해 M87은하 중심의 초대질량 블랙홀의 그림자가 촬영되었습니다.
이는 최초로 블랙홀의 직접적인 이미지를 얻은 사례입니다.
블랙홀은 우주의 구조와 진화를 이해하는데 중요한역할을 합니다.
초대질량 블랙홀은 은하 중심에 위치하며, 은하의 형성과 진화에 중요한 영향을 미칩니다.
블랙홀의 제트와 방출은 은하의 별 형성을 조절하는데 기여할수있습니다.
극한조건에서의 물리법칙을 영구하는데 블랙홀은 중요한 실험역할을 합니다.
일반 상대성 이론과 양자 역학의 통합을 모색하는데 블랙홀 연구가 필수적입니다.
초기우주에서의 블랙홀 형성과 그 역할은 우주의 구조와 진화 은하의 분포와 형태등을 이해하는데 중요한 단서를 제공합니다.
현대 천체물리학과 이론물리학의 중심주제로 그 극단적인 특성과 행동은 우리가 알고 있는 물리법칙의 한계를 시험합니다.
블랙홀의 형성과 진화, 그 물리적 특성, 관측 방법등 다양한 측면에서의 연구는 우주에 대한 우리의 이해를 깊게 하고 새로운 발견과 이론적 발전을 이끌어 냅니다.
앞으로도 블랙홀에 대한 연구는 계속될 것이며, 이는 우주의 가장 심오한 비밀을 푸는 열쇠가 될것입니다.