우주 과학 9편 블랙홀은 어떻게 발견했나요?

블랙홀

블랙홀이라는 단어를 들으면 어떤 이미지가 떠오르시나요? 저는 우주공간과 같이 어두운 공간 속 빛들이 빨려들어가는 모습이 떠올라요. 이렇게 우리에게 익숙한 블랙홀은 실제로 존재할까요? 정답은 YES입니다. 다만 눈으로는 관측하기 어렵고, 현재 기술로는 직접 관찰하거나 촬영하기도 어렵다고 해요. 

그래서 과학자들은 간접적으로나마 블랙홀을 연구하고자 다양한 방법들을 고안했어요. 지금부터 블랙홀에 대해 조금 더 자세히 알아볼게요.

블랙홀은 어떻게 발견했나요?

과학자들은 아인슈타인의 상대성이론으로부터 힌트를 얻었어요. 1915년 발표된 특수상대성이론에서는 중력장이 강한 곳에서는 시간이 느리게 간다는 내용이 담겨있는데요, 이 이론을 이용하면 지구에서도 빠르게 회전하는 인공위성의 시간이 느려질거라고 예상했고, 실제로도 그런 현상이 발생했다고 합니다. 이를 토대로 1919년 영국의 천문학자 에딩턴은 태양계 안에서 별이 보이지 않는 영역인 '사건지평선'을 발견하게 됩니다. 이후 천체물리학자들은 사건지평선 바깥 쪽에 위치한 은하 중심부에 거대한 질량체가 있다는 가설을 세웠고, 1960년대 미국의 물리학자 휠러(J. A. Wheeler)는 이러한 거대 질량체가 주변의 물질을 끌어당겨 점점 압축되는 과정을 반복하다가 결국 한 점으로 모이는 특이점이 생긴다는 주장을 하게됩니다. 그리고 1974년 스티븐 호킹 박사는 자신의 논문을 통해 우주의 모든 물체를 빨아들이는 미지의 검은 구멍 즉, 블랙홀이 존재한다는 결론을 내리게 되었습니다.

블랙홀은 왜 생기는 건가요?
앞서 설명드린것처럼 블랙홀은 밀도가 매우 높은 항성이 진화의 마지막 단계에서 만들어집니다. 대부분의 항성은 핵융합 반응을 통해 에너지를 생성하는데, 이때 만들어진 열에너지가 수소원자핵 4개가 합쳐져 헬륨 원자핵 1개를 만드는 융합반응 때 방출된다고 알려져있습니다. 하지만 일부 항성은 내부 온도가 너무 높아 스스로 폭발하면서 초신성폭발을 일으키는데, 이때 엄청난 양의 중성자가 튀어나오면서 다시 핵융합 반응을 일으켜 새로운 원소를 만듭니다. 문제는 새로 만들어지는 원소 중 탄소나 산소 등 무거운 원소일수록 수명이 짧다는 겁니다. 따라서 계속해서 많은 수의 양성자와 중성자가 만들어지고, 이것들이 서로 충돌하며 뭉치게 되면 더욱 큰 질량을 갖게 되면서 수축되기 시작합니다. 그러다가 마침내 한계치에 도달하면 부피가 0이 되고 밀도는 무한대인 상태가 되는데, 이게 바로 블랙홀이 탄생하는 순간입니다.

블랙홀은 얼마나 무거울까요?
현재까지 알려진 바에 따르면 무게가 태양의 65억배 이상이고 지름은 약 160억km라고 합니다. 참고로 지구의 크기는 반경 6400km이며 달까지의 거리는 38만km이니 상상조차 되지 않는 크기죠? 또한 블랙홀은 주위의 시공간을 왜곡시키기 때문에 근처에 접근하는 우주선마저도 휘어지게 만든다고 하니 어마어마한 힘을 가진 녀석임엔 틀림없습니다.

블랙홀이라는 단어 들어보셨나요? 저는 어렸을 때 과학시간에 처음 들었던것 같아요. 이 세상 모든걸 빨아들이는 무시무시한 존재라고 배웠는데 실제로 그런 일이 일어날까요?

실제로 블랙홀이 있나요?
네 물론입니다. 우주에는 태양계만한 크기의 별들이 무수히 많은데요, 이러한 별들을 항성이라고 합니다. 우리 은하에만 약 1천억개의 항성이 있다고 해요. 이렇게 많은 항성 중에서도 질량이 큰 별일수록 수명이 짧아지는데, 결국 폭발하면서 거대한 중력장을 형성하게 됩니다. 이때 발생하는 강력한 중력장이 주변 물질을 끌어당기면서 엄청난 속도로 빨려들어가게 되는데 이것이 바로 블랙홀입니다.

그럼 왜 하필 블랙홀인가요?
사실 우주의 탄생과정에서는 화이트홀이 먼저 만들어졌습니다. 하지만 시간이 지나면서 점점 식어가는 과정에서 수축하기 시작했고, 부피가 작아지면서 밀도가 높아지며 빛조차 빠져나올 수 없는 공간이 되었습니다. 그래서 지금까지도 발견되지 않고있죠. 그렇다면 반대로 팽창하는 곳은 없을까요? 네 그렇습니다. 아직까지는 없습니다. 만약 있다면 그곳은 웜홀로써 현재 지구로부터 2억광년 떨어진 지점에 위치하고있습니다.

블랙홀과 화이트홀은 어떻게 다른가요?
화이트홀은 말 그대로 구멍입니다. 어떤 천체가 붕괴되어 생성되는 일종의 통로로써, 에너지나 입자 등을 방출하며 다시 바깥으로 나오는 출구역할을 한다고 알려져있어요. 즉, 어떠한 물체든 일단 들어가면 나올 수 없다는 점에서 블랙홀과 차이가 있죠.

저는 어렸을 때 우주나 천체 관련 다큐멘터리를 많이 봐서 그런지 아직도 블랙홀하면 엄청 큰 별이 죽어서 생긴 구멍같은 이미지가 떠올라요. 실제로 블랙홀은 엄청나게 강력한 중력장을 가지고 있어서 빛조차 빠져나오지 못하는 곳이랍니다. 그래서 우리 눈으로는 절대 볼 수 없어요. 하지만 최근 과학자들이 이 블랙홀을 관측하기 위해 노력하고 있다고 해요. 과연 어떤 방법으로 블랙홀을 관측하려고 하는걸까요?

블랙홀은 어떻게 관측하나요?

사실 블랙홀은 직접 관측한다는건 거의 불가능하지만 간접적으로나마 연구중인 분야입니다. 대표적으로 X-ray 망원경을 이용해서 블랙홀 주변 물질들을 분석하거나, 전파망원경을 이용해서 아주 멀리 떨어진 은하계 안의 블랙홀을 찾고있어요. 특히 전파망원경은 지구 대기권 밖에서 엄청난 크기의 안테나를 설치해야되기 때문에 천문학자들에게 매우 힘든 작업이지만 현재 세계 곳곳에서 많은 사람들이 도전하고 있답니다.

전파망원경이 뭔가요?
전파망원경은 말 그대로 전파를 모아서 보는 망원경이에요. 이렇게 모은 전파 신호를 컴퓨터로 분석하면서 우주의 비밀을 밝혀내고 있죠. 예를 들면 태양과 같은 항성 주위를 도는 행성 중에서도 생명체가 살 수 있는 환경인지 아닌지 알 수 있고, 외계행성 탐사 등 다양한 방면에서 활용되고 있어요.

우주에서는 왜 전파신호가 잡히지 않을까요?
우리가 사는 지구는 공기층이 존재하기 때문에 하늘 위로는 소리가 전달되지 않아요. 반면에 우주 공간은 진공상태이기 때문에 아무리 작은 소리라도 모두 다 들릴 수 밖에 없죠. 따라서 우주공간에서는 라디오 주파수처럼 높은 주파수 대역의 전파만을 수신할 수 있게 됩니다. 또한 광속 이상의 속도로 이동하는 전파는 반사되어 되돌아오지 않기 때문에 아예 잡을 수 없게 되요. 만약 인간이 화성 표면에 착륙하게 된다면 그때부터는 인류 역사상 최초로 지상에서뿐만 아니라 우주에서도 통신이 가능해질거라고 하네요.

과학기술이 발전함에 따라 앞으로의 미래는 더욱더 기대되는것 같아요. 여러분 혹시 영화 인터스텔라 보셨나요? 거기서도 주인공이 블랙홀 속으로 빨려들어가는 장면이 나오는데 너무 무서우면서도 신기하더라구요. 지금 당장은 아니더라도 언젠가 먼 미래에는 진짜로 블랙홀을 관측할 수 있겠죠?