블랙홀이 무엇이냐 대체

블랙홀의 개념은 1969년 존 휠러라는 미국 과학자에 의해 조명되기 시작함 

 

빛은 입자 아니면 파동 둘 중에 하나라고 여겨졌으나 양자역학이 빛은 입자도 되고 파동도 된다는 것을 밝혀냄. 

문제는 빛이 파동과 입자로서 동시에 존재하는 경우 중력에 어떻게 빛이 반응하느냐 임. 만약 입자인 상태에서는 다른 물체들과 다르지 않게 중력의 영향을 받을 것임. 

 

1783년 이 가정을 바탕으로 영국인 존 미쉘은 이에 관한 글을 한 편 씀. 어떤 별은 너무 무겁고 밀도가 높아서 빛이 탈출 할 수 없을 정도라고 여김. 별에서 발생하는 어떤 빛도 이 중력을 이기지 못 하고 다시 빨려 들어간다는 것임. 미쉘은 이런 별들이 꽤 많을 것이라고 가정함. 하지만 우리는 볼 수가 없음 빛이 나오지 않기 때문에. 이를 우리는 블랙홀이라 부름. 거대한 검은 공극(구멍)이 우주에 나있는 것임. 

 

비슷한 가정이 프랑스 과학자 피에르시몽 드 라플라스에의해 제기됨. 하지만 이 사람은 나중에 자신의 책에서 이 내용을 빼 버림. 너무 말이 안된는 생각이라고 여김. 실상, 뉴턴의 중력을 적용하면 빛이 중력에 영향을 받는다는게 말이 안됌. 왜냐면 빛의 속도는 언제나 일정하기 때문. 대포는 아무리 강하게 하늘로 쏘아 올려도 중력이 다시 끌어당김. 하지만 빛은 그렇지 않음. 빛은 일정한 속도로 뻗어나감. 

 

1915년 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표하기 전까지는 제대로 된 이론이 없었음. 

블랙홀에 대해 이야기 하려면 별의 생애 주기를 알고 있어야 함. 가스, 대량의 하이드로젠이 얽히고 섥히고 열이 받고 중력에 이끌리며 자기들끼리 부딛치고 굳어가면서 별이 생성됨. 가스는 팽창하려하고 중력은 이를 끌어당김으로 결국 별이 생기게 됌. 

 

별은 이런 상태를 아주 오랫동안 유지함. 핵반응으로 열이 중력과 균형을 맞춤. 별에 가스가 많으면 많을 수록 더 빨리 식음. 하이드로젠과 다른 핵연료를 더 빨리 소모함. 별이 클수록 더 드껍고 이는 중력과 균형을 맞춰야 하기 때문. 뜨꺼우면 더 빨리 연료를 소모함. 우리 태양은 약 50억년 남았지만 어떤 더 큰 태양은 이제 10억년도 안남았을 수 있음. 

연료를 다 사용하고나면 별이 식고 수축함. 1920년에 가서야 이를 이해하기 시작함. 

인도 대학원 학생 부프라마냔 찬드라세카르는 영국 캠브릿지로 유학을 하고 있었음. 아서 에딩턴과 공부하기 위해서임. 에딩턴은 일반 상대성의 전문가였음. 어떤 과학잡지 기자가 에딩턴에게 "세계에는 일반 상대성 이론을 이해하는 사람이 세명있다는 말이 있습니다." 라고 말함. 에딩턴이 "그 세번째 사람이 누군지 궁금하군요." 라고 답함. 

 

찬으라세카르가 영국으로 가던중에 연료를 모두 사용한 뒤에도 어떻게 중력으로부터 자유로울 수 있는지 궁금했음. 별이 작아지면 물질 입자가 서로 아주 가까워 질 것이라고 봄. 하지만 폴리 제외 원리에 따르면 물질 입자는 같은 속도로 같은 자리에 있을 수 없다고 함. 그럼 물질 입자는 다른 속도를 가져야 함. 찬드라세카르는 일정 수준까지는 이를 버틸 수 있다는 이론을 냄. 이게 찬드라세카르 한계임. 별의 밀도가 이 한계보다 작으면 수축을 중단함. 

 

여튼 이 이론을 에딩턴은 부정함. 이 이론에 따르면 별이 완전 사라져야 되는 것임. 아인슈타인도 그리 주장했고 에딩턴도 이를 따랐음. 찬드라세카르를 설득함 딴 거 하라고 이거 말이 안된다고. 하지만 이 사람이 나중에 1983년에 이 부분을 포함해서 노벨상을 받음. 

 

 

하지만 일반 상대성으로는 여전히 증명이 안되고 이해할 수가 없었음. 1939년 로버트 오펜하이머가 나타나기 전까지는. 로버트 오펜하이머는 핵폭판 개발에 깊이 관여된 인물임. 전쟁 이후에는 사람들은 작은 핵에 더 관심이 많았음. 1960년대에 들어서 다시 천문학이 관심을 끔. 

 

오펜하이머는 중력장이 빛의 이동경로를 바꾼다는 것을 알아냄. 빛이 별의 표면에서 살짝 꺽이는 것임. 이는 일식 때 별을 멀리서 보면 보임. 별이 일정하게 줄어들면 표면의 중력장이 정말 강해져서 빛이 안쪽으로 휨 그래서 빛이 탈출 할 수가 없어짐.

 

상대성 이론에 따르면 빛보다 빠른 건 없음. 빛이 탈출 할 수 없다면 다른 것도 못 함. 중력장으로 모든게 끌려 들어가는 거임. 이러면 관찰자가 해당 별로 부터 나오는 빛을 볼 수 없음 이게 블랙홀임. 이 경계를 사건의 지평선 이벤트 호라이즌이라 부름. 이 이벤의 호라이즌 안으로는 들어가지만 나올 수가 없는 것임. 

 

 

상대선이론에서는 절대 시간이 같을 수가 없음. 중력장 때문에 시간이 다르게 감. 붕괴하는 별의 지표면에서 궤도를 도는 우주선에 매 초마다 신호를 보내는 사람이 있음. 11시에 그 한계를 넘어 별이 작아짐 그러면서 중력장이 엄청 쌔짐. 그러면 빛이 빠져 나갈 수 없음.

그 행성을 도는 우주선에서 지켜보던 동료는 11시가 오면 올 수록 신호 사이에 간극이 점점 길어지는 것을 볼 수 있음. 10시 59분 59초에는 차이가 아주 작음. 행성에서 보낸 시간이 10시 59분 58초에서 1초 조금 넘게 기다리면 신호를 받을 수 잇음. 하지만 11시 신호는 영원히 기다려야 함.

 

 

10시 59분 59초와 11시 사에 송출된 신호는, 우주선에 보았을 때 영원한 시간 속으로 흩뿌려짐. 결국 이 별은 점점 사라지고 우주선에서는 볼 수가 없어짐. 블랙홀만 남음. 하지만 여전히 똑같은 중력을 우주선에 가함. 왜냐면 별이 여전히 우주선에게는 보이기 때문, 최소 원론적으로는. 너무 붉은색이라 눈으로 볼 수가 없음. 이 적광은 중력장에 아무 영향을 끼치지 못 하므로 블랙홀 주변을 돌수가 있음.