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1969년에 미국의 물리학자 휠러는 아인슈타인의 이론에서 예언하는
새로운 천체를 `블랙홀(Black Hole)'이라고 불렀다. 그
천체는 표면이 없고, 어떤 영역의 내부로 떨어져 들어가면 강한 중력으로 아무것도 그 곳을 빠져 나갈 수가 없다. 그
영역은 빛조차도 탈출할 수 없기 때문에 암흑의 세계이다. 이것이 블랙홀이라는 이름이 생기게 된 유래이다. 그 명명이
절묘하여 블랙홀은 신비로운 천체로서 많은 사람들의 관심을 끌고 있다.블랙홀이란 과연 어떤 것이고, 정말로 존재하는
것일까.
아인슈타인(A.Einstein;1879~1955)이 `일반 상대성 이론'을 제창한 다음 해인 1917년에 독일의
수학자 슈바르츠실트는, 오늘날 블랙홀로서 알려져 있는 이 불가사의한 천체가 아인슈타인의 이론에 의해 예언된다는 것을
지적하였다.빛이 탈출할 수 없는 별 이야기는 18세기에 이미 프랑스의 수학자 라플라스(P.Laplace;1749~1827)와
영국의 물리학자 미첼(J.Mitchell) 에 의해 논의되고 있었다. 그들의 논의는
뉴턴(I.Newton;1642~1727) 의 `중력의 법칙'에 바탕을 둔 것이다. 그러나 블랙홀처럼 강한 중력을
가진 천체를 엄밀하게 따지려면, 아인슈타인의 상대성이론의 등장을 기다려야 했다.
블랙홀은 밀도도 중력의 세기도 무한대인 `특이점(特異點,
Singular point)'과, 그 주위의 `사상의 지 평면(事象-地平面, Event horizon)'으로
형성된다. 당시에는 사상의 지평면이 무엇을 의미하는 가를 알 수 없어서, 제 1선의 연구자 모두가 그 연구에
몰두하였다. 연구 결과 지금은 사상의 지평면 이, 거기서부터 안쪽으로 들어가면 모든 것이 탈출할 수 없게 되는
영역과의 경계면임을 알고 있다.
아인슈타인의 이론에서는 빛보다 빨리 진행하는 물질은 없다. 가령
블랙홀의 중력이 엄청나게 강하여 빛도 거기서 탈출할 수 없다면,다른 물질 역시 거기서 탈출할 수 없다. 블랙홀의
내부로 들어간 물질은 영구히 거기에 갇히게 된다. 그렇다면 모든 물질이 그 곳으로 들어가 버리는 특이점이란 과연
어떠한 곳인가? 그 곳은 어떠한 방정식도 의미가 없고, 어떠한 물리의 법칙도 전혀 통용되지 않는 세계이다.
특이점으로 들어가 버리면 어떻게 되는가? 그것은 현재 전혀
알지 못하고 있다. 오늘날 블랙홀이 실제로 존재하는 것은 틀림없는 사실인 것 같다. 그러나 여기에 이르기까지는
몇 가지의 중요한 연구와 발견이 있었다. 중성자 별과 펄서(Pilsar:맥동 전파원), 블랙홀의 후보인 X선 별의
발견, 영국의 물리학자 펜로즈(R.Penrose)와 호킹(S.Hawking;1942~)에 의한 `특이점 정리'의
증명, 은하중심의 거대 한 블랙홀이나 우주에 있어서의 미니블랙홀의 형성 가능성의 지적 등이 그것이다.
현재 블랙홀로 생각되는 몇 개의 천체가 존재하고 있다. 그것은
크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 첫번째 유형은 별 진화의 마지막 단계에서 생성되는 블랙홀로, 태양무게에서 그
수십 배정도까지의 질량을 가진다. 별의 생애에 있어서 가장 주된 부분은 수소가 연소하고 있는 `주계열(主系列)'일때이다.
무거운 별은 마지막에 초신성 폭발을 일으키고, 후에 중성자 별이나 블랙홀을 남긴다.
블랙홀은 빛도 탈출시킬 수 없는데 어떻게 그 존재를 알 수 있는가.
가령 블랙홀 주변에 아무것도 없고 단독으로 존재한다면, 접근 할 때까지 그것이 블랙홀인지 아닌지 모를 것이다. 그러나
별의 경 우 그 대부분은 연성이라는 형태로 존재한다. 블랙홀이 또 하나의 별과 서로 그 주위를 돌고 있다면 별
쪽에서 블랙홀 쪽으로 물질이 흘러 나오고, 그 결과 블랙홀 주위에 `강착
원반(降着圓盤)'이라고 불리는 회전 가스 원반이 생긴다. 거기서 나오는 고에너지 X선을 관측하면
그것이 블랙홀인지 아닌지를 판정할 수 있는 것이다. 그렇다고는 하지만 현시점에서의 최종적인 요건은 그 천체가 충분히
무겁고 적어도 태양 질량의 수배의 무게를 가져야 하며, 또 충분히 작아야 한다는 사실밖에 없다.
블랙홀의 유력한 후보는 백조자리에 있는 `백조자리
X-1'이다. 질량은 태양의 약 8배로 생각되고 있다. 백조자리 X-1은 질량이 태양 의 약
20배나 되는 청색 초거성과 연성계를 이루고있다. 그 청색 초거성에서 흘러 나오는 가스가 형성하는 강착 원반이
X선별로서 관 측된다. 은하 중심에 있는 블랙홀 의 경우에는 그 주위에 큰 강착 원반이 형성되고, 거기서 거대한
에너지가 방출되고 있는 것으로 생각 된다. 그 시간 변화와 에너지의 양을 생각하면 거대한 블랙홀로밖에 는 생각되지
않는다. 처녀자리 은하 단에 있는 `M87'이라는
은하에는 중심 부분에 태양 질량의 50억 배나 되는 거대한 블랙홀이 있는 것으로 생각되고 있다. 그 중심 부분에는
매우 무겁고 콤팩트한 천체 가 있다는 것이 알려져 있고, 거기 서 4100광년 거리에 도달하는 거 대한 제트가
분출하고 있다. 블랙홀이 중심에 있다고 생각하면 콤팩트한 천체와 제트의 에너지를 설명할 수 있는 가능성이 있다.
블랙홀이란 대체 어떤 것일까? 가령 블랙홀에 자꾸만 접근한다면
어떻게 될 것인가? 우주선을 타고 블랙홀에 접근해 가는 사람과, 블랙홀에서 멀리 떨어진 우주선에서 관측을 하는 두
사람을 가정하자. 우주선을 타고 블랙홀에 접근하는 사람은 강한 중력에 이끌려서 가속되어, 사상의 지평면을 지난 것을
모르고 있을 것이다. 그리고 갑자기 시공간이 특이점에서 끝나고 만다. 이 경우 우주선은 강한 조석력으로 찢겨질
것이다. 태양 질량 정도의 블랙홀의 사상의 지평면을 지날 때, 신장 약 2m인 사람의 머리와 발끝 사이에 10억
G(만유 인력 상수)나 되는 조석력이 걸리기 때문이다. 한편 블랙홀에서 멀리 떨어져 있는 우주 선의 사람이 보면,
이 우주선이 블랙홀에 접근하는 데 무한의 시간 이 걸리는 것처럼 보인다. 블랙홀로 우주선이 떨어져 들어갈 때의
속도는 거의 광속에 가깝다. 광속에 가까운 속도로 운동하는 경우의 시간의 흐름은, `특수 상대성 이론'에서는
관측자에게 크게 의존한다. 사상의 지평면을 지날 때에 그 우주선을 타고 있는 사람의 시계로는 유한의 시간으로 통과할
수 있지만, 멀리 떨어져 있는 우주선 에 있는 사람에게는 같은 현상이 무한의 시간이 걸리는 것처럼 보인다. 요컨대
블랙홀에 접근함에 따라 우주선의 속도는 차츰 떨어지고, 마지막에는 사상의 지평면에 고정된채 움직이지 않게 되는
것을 보게 될 것이다. 여하튼 블랙홀에 접근합에 따라 우주선에서 나온 빛은 강한 중력에 의해 그 파장이 적색 쪽으로
크게 이동해 간다. 그 결과 가시광의 범위에서 벗어나 우주선 그 자체가 보이지 않게 된다.
많은 천체는 회전하고 있다. 블랙홀도 회전하고 있는 것이 있다.
회전하는 블랙홀의 안이 어떻게 되어 있는가를 알아보자. 회전하고 있는 블랙홀 주위의 공간은 일그러지고, 블랙홀
바깥쪽에 `에르고 영역(Ergo Sphere)'이라고 불리는 공간 영역이 발생한다. 에르고 영역 안에서는 공간 자체
가 광속 이상의 속도로 블랙홀에 이 끌려서 돌고 있기 때문에, 어떠한 운동을 하여도 블랙홀이 도는 방향으로 끌려가게
된다. 회전의 또 하나의 효과는 블랙홀의 표면인 사상의 지평면의 내부에 또 다른 하나의 지평면이 나타나는 일이다.
이것을 `내부 지평면'이라고 부른다. 바깥쪽의 지평면으로 들어간 물체는 반드시 안을 향해 끌려가게 되는데, 내부
지평면보다 안쪽에는 큰 원심력이 작용하고 있어서 그 안으로 들어간 물체는 반드시 중심 방향으로 낙하하지 않고 운동할
수 있다. 단 내부 지평면의 밖으로 되돌아갈 수는 없다. 내부 지평면 안에서의 특이점은 고리 모양으로 분포한다. 이
내부 지평면의 안쪽 영역은 다른 우주로 가는 통로로 되어 있다. 다른 우주에서는 블랙홀이 아니라 `화이트홀
(White Hole)'로 나타난다. 화이트홀이란 블랙홀과는 정반대로 그 안에 머물러 있지 못하고, 반드시 바깥
세계로 밀려 나가게 되는 시공간의 영역이다. 따라서 내부 지평면 안으로 들어간 물체는 잠시 거기 머문 다음 급히
내부 지평면 밖으로, 그리고 화이트홀 밖으로 내던져 지게 된다. 그 곳은 이전과는 다른 우주이다. 단 내부 지평면이
안정하게 존재하는지의 여부는 알지 못하고 있는데, 많은 연구자는 불안정하다고 생각하고 있다. 다른 세계로 가는
통로가 되었다고 해도 순식간에 그 문을 닫아 버릴지도 모르기 때문이다.
시간의 방향에는 과거와 미래가 있다. 시간 여행(Time
Travel)에서 미래로만 간다면 그리 머지않은 장래에 가능해질지도 모른다. 예를 들어 인공 동면(人工冬眠)의
기술이 개발되면 가능해지는 것이다. 그러나 미래로 가는 것만이라면 그것은 타임 머신(Time Machine)이 라고
할 수 없다. 미래로 갔다가 돌아옴으로써 아직 일어나 있지 않은 시간을 알 수 있다. 문제는 과거로의 시간 여행인
것이다. 캘리포니아 공과 대학의 손 팀은 이와 같은 과거로의 타임머신을 `웜홀 (Wormhole)'을 사용하여 해결할 수 있지 않을까 생각하고 있다. 웜홀이란 두 개의 블랙홀을 이은 것과 같은 시공간을 말한다. 단 양쪽의 입구에
사상의 지평면이 있으면 그 안에 들어가버려 두 번 다시 밖으로 나올 수 없게 되므로, 양쪽의 지평면이 일치되어 하나의
지평면이 되도록 붙어 있어야만 한다. 그것이 가능한지 어떤지는 아직 알 수 없다. 가령 그것이 가능하다면 타임머신을
만들 수 있다고 한다. 그러나 웜홀을 사용한 타임머신이 실현 가능하다고는 단언할 수 없다. 인간이 빠져 나갈 수 있을
만큼의 큰 웜홀을 과연 만들 수 있는 것인지, 또 만들 수 있다고 해도 그것이 장기간 안정되게 존재할 수 있는지 등의
해결되지 않은 문제들이 많다. 현재 그에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
과거로의 시간 여행이 가능해지면, 이미 존재하고 있는 역사를 다시
고쳐 쓸 수 있는 것일까? 호킹은 `역사 연표 보존 가설'을 제창하여, 물리 법칙은 그와 같은 윔홀의 존재를
금지하고 있다고 주장 한다.
물체를 빨아들이기만 하는 천체 블랙홀이 우주에 있으면 우주의 모든
물질이 블랙홀에 흡수되어, 마침내 블랙홀만 남는 것이 아니냐 는 의문이 생긴다. 여기서는 블랙홀이 존재하는 우주가
어떠한 운명 을 맞게 되는가에 대하여 생각하기로 하자. 우리의 우주가 지금 팽창하고 있다는 것은 분명한 사실 이다.
그 우주가 어떻게 진화할 것인가는 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 알 수가 있다. 그것에 따르면 우주의 미래에는
두 가능성이 있는데, 그것을 결정하는 것은 우주 물질의 밀도이다. 물질 사이의 중력은 우주의 팽창을 되돌리려고
하므로, 현재의 물질 밀도가 높을수록 미래의 우주 팽창은 늦어진다. 특히 현재의 밀도가 어떤 값(임계 밀도)
이상이 되면, 어느 시기에 우주는 팽창에서 수축으로 돌아서게 된다. 이 우주는 `닫힌 우주'라 불리며 우주의 부피는
유한이다. 수축으로 돌아선 다음 그 우주는 유한 시간에서 붕괴되고 만다. 또 우주의 밀 도가 이 임계 밀도 이하인
우주에서는 부피가 무한대인 열린 공 간이 된다. 이것은 `열린 우주'라 불리며, 이 때 우주는 영원히 계속하여
팽창한다. 현재 우주의 밀도가 이 임계 밀도보다 높은 어딘지는 아직 분명히 알 수 없으므로 우주의 운명에 어떻게
영향을 미치는가를 생각해 보자.
① 닫힌 우주
이 경우의 우주는 미래의 어떤 시기에 팽창에서 수축으로 돌아선 다. 블랙홀의 존재가 이 사실을 바꾸지는 못한다.
블랙홀은 주위로부터 물질을 흡수하여 자꾸만 크게 성장하고, 또 두 블랙홀이 충돌 하면 하나의 더욱 큰 블랙홀이 될
것이다. 호킹이 제시한 블랙홀의 정리에 따르면 블랙홀은 분열하지 않은 것으로 알려져 있다. 그렇게 생각하면 블랙홀은
자꾸만 합체하여 마지막에는 커다란 블랙홀이 우 주에 하나만 남게 될 것 같다. 그러나 닫힌 우주의 경우 우주의 나
이는 유한이고, 우주는 수축하여 마침내 찌부러지고 만다. 그 때에 많은 블랙홀이 충돌하여 결국 하나로 합체하기에
앞서서, 우주는 찌부러지게 될 것이다. 그래서 우주가 끝날 때에는 많은 블랙홀이 그 대로 존재하고, 마침내
종말을 맞게 될 것으로 생각된다.
② 열린 우주
우주가 열려 있는 경우에는 어떻게 될 것인가? 이 경우의 우주는 영원히 팽창을 계속하므로 모든 블랙홀이 하나로
합체한다고 생각 할 수 있지만, 정말은 그렇지가 않다. 우주의 팽창으로 블랙홀의 수와 밀도가 급속히 감소하여
블랙홀의 간격이 자꾸만 멀어지게 되므로 블랙홀끼리의 충돌 빈도가 줄어들기 때문이다. 그러는 사이에 블랙홀의
증발이 시작되고, 결국 블랙홀은 없어지고 만다.
블랙홀이 증발, 소멸하는 데 걸리는 시간은 질량의 세제곱에 비례
하고, 태양의 질량 정도의 블랙홀 에서는 우주 나이의 10의 54승 배 나 걸린다. 이것이 은하 중심에 있는 것으로
여겨지는 더욱 무거운 블랙홀이라면 정신이 아찔할 정도의 숫자가 나온다. 그와 같은 경우 블랙홀의 증발 등은 생각하지
않아도 무방할 것 같지만, 우주는 무한히 계속하여 팽창하므로 시간은 얼마든지 있는 것이다. 블랙홀이 증발한
다음에는 블랙홀에서 나온 질량이 0인 입자(중성 미자, 광자, 중력자 등)가 주로 존재한다. 더욱 이 소립자의
`대통일 이론(GUT)' 이 옳다면 양성자 등도 붕괴하여, 마지막에는 전자 등 가장 가벼운 안정 입자만이 남는다. 모든
구조도 소멸되고, 거의 진공에 가까운 희박한 우주만이 팽창을 계속할 뿐 이다.
우주의 운명은 빈 우주가 되어 버리든가, 아니면 유한의 생명을
가진 우주가 되어버리든 가의 둘 중의 하나인 것이다. |
