블랙홀 1
원제 : 블랙홀에 대해서...............
고친날 : 대략 2002년 5~7월경
고친날 : 2005.09.04
예전에 DBDic에서 블랙홀이 무엇인지 질문하신 분이 계셨었는데..
그 질문에 제가 답변을 달은 것을 조금 편집해서 올립니다...^^
한겨레 신문 DBDic에서 ...
아인쉬타인이 특수상대성 이론을 처음 만들었을 때에, 이 이론은 뉴턴의 중력이론과 상충된 부분이 있었습니다. 즉, 특수상대성이론에 의하면 빛의 속도보다 더 빠른 것은 없다고 했는데, 뉴턴의 중력이론은 A라는 곳의 물체를 움직이면 B라는 물체는 아무리 멀리 떨어져 있어도 A가 움직이자마자 그것을 알아채고 동시에 영향을 받는다는 내용이 포함되어 있었기 때문에 상충되는 것이었죠.
아인쉬타인은 1905년에 특수상대성이론을 만든 후에 이러한 상충되는 면을 해소하기 위해 10년간 연구한 끝에 1915년에 일반상대성이론을 발표하게 됩니다. 이 이론은 시간을 천편일률적으로 흐른다는 기존의 관념을 깨고, 시간은 중력의 영향에 따라서 빠르게도, 느리게도 흐른다는 주장을 하게 된 것입니다. 이 일반상대성이론의 방정식은 텐서방정식으로 이루어져있는데, 이 정해를 풀어보면 반드시 무엇이든 빨아들이는 그런 천체가 있다는 결론의 특별한 해답을 얻게 된다는 것입니다. 이 천체는 러시아의 Schwarzschild이 계산해 내었는데, 그는 이 천체는 질량과 전하, 각운동량(회전함으로)으로만 특징지워진다는 사실을 알아냈습니다. (이상하죠? 이 3가지 성질로 대변되는 것이 딱 하나 더 있었죠.. 바로 소립자.) 그 후 이 사람은 얼마 안가서 세상을 떠났고, 블랙홀에 대한 연구는 거의 진척이 없었습니다.(이 아까운 사람은 전장에서 죽어갔습니다.)
블랙홀에 대해서 생각해 보면 표면은 시간이 아주 천천히 흘러 정지한 것처럼 생각되고, 전체는 텅 빈 공간에 질량이 한 가운데에 모인 질량밀도가 무한대인 특이점을 갖고 있는 단순한 구조를 갖고 있다고 생각되었습니다.
블랙홀이라는 이름처럼 블랙홀에서는 빛조차 빠져나올 수 없기 때문에 검게 보입니다. 따라서 관측은 고사하고 어디에 있는지조차 알 수 없었는데, 아주 특별한 경우(연성계를 이루는 경우라던지..)에 한해서 간접적으로 관측을 할 수 있었습니다.
연성계에서 어떻게 관측이 가능했는지 잠시 살펴보면...
연성계에서 가장 유명한 것은 백조좌의 X-1이라는 천체입니다. 이 천체는 매우 밝은 빛을 내는 거대한 별인데, 이 별을 관측했더니 별이 춤을 추듯이 비틀비틀 움직이더라는 것이죠. 나중에 X선으로 찍어봤더니 가시광선으로 보이는 것보다 훨씬 더 강력한 X선이 나오더랍니다. 전체 하늘에서 가장 강한 X선이 말이죠.. (가장 강한 다른 한 곳은 궁수자리에 있다고 합니다.)
이 현상을 설명하자면...
원래 백조좌의 X-1은 두개의 거대한 항성으로 이루어진 연성계(두개 이상의 항성이 마치 태양과 행성처럼 돌고 있는 항성의 집단)였는데, 그중 큰 쪽이 에너지를 빨리 소비한 후에 적색거성이 되었다는 것이죠. 이럴 경우 별은 크게 팽창할 수 있는 한계점이 있는데, 그것은 두개의 항성 사이에 중력이 같아지는 지점까지 별이 팽창하면 더이상 팽창하지 못하고, 별의 물질이 반대쪽의 별로 흘러간다는 것입니다. 따라서 많은 가스를 잃은 큰 별은 초신성 폭발을 못하고 식으면서 그대로 수축해서 블랙홀이 되었다는 것입니다.(질량이 매우 큰 물질은 내부에 열이 없어 반발하는 힘이 없어지면 스스로의 중력에 의해서 짜부라져 블랙홀이 됩니다.)
그 후에 반대쪽의 별은 원래 큰 별에서 가스를 많이 받았으므로 덩치가 커져서 큰 별이 되었는데, 지금 에너지를 모두 소비한 후에 적색거성이 되었던 것입니다. 적색거성이 된다음에는 반대로 다시 블랙홀이 된 별 쪽으로 다시 가스를 뿜어준다는 해석입니다. 이때 블랙홀은 매우 강한 중력을 띄어서 떨어지는 물체는 똑바로 직선으로 못 떨어지고, 나선을 그리며 회전하면서 떨어지게 되는데,안쪽의 물질과 바로 바깥쪽의 물질 사이에 에너지 차이가 매우 커서 비벼져 고온이 되며 고온이 됐기 때문에 X선을 내뿝는다는 것입니다.(왼쪽으로 돌고 있다고 가정했을때에 1mm안쪽에 다른 소립자가 왼쪽으로 자신보다 더 빨리(몇배쯤, 즉 나는 5000km/s로 가고 있는데 왼쪽에서 다른 입자가 20000km/s로 지나가다 부딛혔다면 온도는 엄청나게 높아지겠죠?) 지나가면서 충돌하면 충돌에 의해 온도가 엄청나게 높아질 것입니다. - 회전부에 에너지가 계속 쌓이게 됩니다.)
그 후 1970년대에 스티븐 호킹이란 과학자는 길고 지루한 계산을 통해서 양자적 공간의 흔들림(양자요동 - 뭐라 표현해야 좋을지..^^;)이 원인으로 작용해서 블랙홀이 아주 적은 양이지만 에너지를 방출한다는 계산 결과를 내놓았습니다. 즉 블랙홀은 완전히 검은 것이 아니라 '거의 검다'라고 표현하는 것이 맞다라고 주장한 것이죠. 이 설은 현재로써는 정설로 받아들여지고 있는데, 내용이 너무 어려워서 일반인은 뭐라 할 수가 없겠네요.^^
1980년대 말경에 초끈이론에 의한 계산 결과는 매우 의외의 결과를 보여줬습니다. 즉 블랙홀과 소립자가 동등하단 것을 계산해낸 것이죠.
다시 말해서 예전에 추측할 때에, 소립자는 호킹복사(아까 스티븐 호킹이 증명한 에너지 방출을 이렇게 불러요.)로 가장 작게 변한 크기의 블랙홀이라는 것이죠. 이 글 시작할때에 소립자와 블랙홀의 공통점에 대해서 잠시 언급했었죠..^^
또한 우리 전 우주도 블랙홀과 동등한 구조를 갖고 있습니다.(이거 뭔가 좀 꼬일려나..^^)
자세히 계산해 보면 우주상수(아인쉬타인이 우주는 고정된 모습을 보일거라고 생각해서 끼워넣었던 일반상대성이론의 한 항목)로 계산한 우주의 질량으로 블랙홀의 크기를 계산해 보면 현재 알려진 우주의 크기와 거의 비슷하게 나온다는 것입니다.
끈이론에 의하면 전 우주는 4차원의 시공간(열린 차원)과 7차원의 플랑크 공간 안에 갖힌 차원(닺힌 차원)으로 구성되어있다고 하는데, 여기서 소립자는 닺힌 차원의 특성에 의해서 질량과 전하와 각운동량을 갖게 되고, 그 특성은 블랙홀에도 나타나서 일부의 끈이 거대하게 팽창해서 현재 우리가 생각하는 거대한 블랙홀이 된다는 것입니다. 물론 그 거대하게 된 끈은 질량을 나타내는 끈이고요..(끈의 길이에 비례(?)해서 질량이 증가한답니다.)
그렇다면 우주도 질량을 나타내는 몇개의 끈이 거대한 끈으로 되어서 현재의 우주가 되었다고 해석하는 것이죠.
그래서 소립자=블랙홀=우주 이런 등식이 성립하게 되었습니다. ^^
블랙홀은 상대성이론에 의하면 별이 초신성폭발을 일으켰을때, 백조좌에서처럼 그냥 자체적으로 수축할때 생성될 수 있으며, 우주 초기 초고밀도의 우주였을때는 아무곳에서나 생겨났다 없어졌다를 반복했을 것이고(플랑크 공간 이하 크기의 블랙홀들), 은하의 중심같이 많은 물질들이 밀려드는 곳에서 생성될 가능성이 크다고 합니다.
실제로 허블 우주망원경으로 관측한 결과 궁수자리(아까 X선이 가장 강한곳중 한곳이라 한..)에서 아주 거대한 세개의 팔이 한 점을 향해 몰려드는 형상을 한 사진이 찍히기도 했습니다. 이밖에 준성(퀘이사)중 일부 등도 블랙홀이 아닐까 하는 추측을 하고 있습니다.
화이트홀은 블랙홀로 빨려들어간 물질이 어딘가 새로운 우주(아기우주라고 하죠.)에서는 빠져나온다고 생각해서 화이트홀이라 불렸다네요.(모든 파장이 다 있으면 희게 보이니까...) 이건 블랙홀에 반대로 만든 이름이라서... 웜홀이야 이 둘을 연결(그러니까 우주의 탯줄 정도..)해주는 관 비슷한거구여...
끈이론에서 보자면 빨려들어간 물질은 단순히 블랙홀 내에 질량을 나타내는 끈의 길이를 길게 늘리는데 사용하겠죠. 화이트홀과 웜홀 없이요...
그럼 이만..
안녕히..
ps. 따분한 과학의 진실이라고 믿기엔 너무 재미있죠...꼭 소설같고..^^
ps. 옛날 아인쉬타인의 상대성이론을 배울때에, 우주는 휘어져있으니까 우주에서 먼 곳을 바라보면 결국 그곳에는 자신의 뒤통수를 보게 된다고 했었는데, 초끈이론에서는 그것이 당연히 그렇게 해석되네요.. 질량을 나타내는 큰 고리(차원)가 있어 거대하게 부풀었고, 절대 끊어지지 않으므로(계산에 의하면 끊어질때도 있다고 함.) 결국 자신의 뒤통수가 보일것이다.(닫힌 우주론) 흠흠...
ps. 참고문헌
시간의 역사
엘러건트 유니버스
별의 물리
아이작아시모프의 천문학입문
코스모스
ps. 화이트홀에 대한 오류에 대해서..
분명 블랙홀과 화이트홀에 대해서는 아직 오류가 많습니다.
1. 상대성이론이 아직 완전한 이론이 아니다.
2. 우리의 시간의 개념이 아직 완벽하게 해석되지 못하고 있다.
3. 우리는 시공간 밖에 대해서 아직 무엇이라 기술할 수 있지 못하고, 따라서 그쪽에 대한 연구는 전무하다.
또한 블랙홀은 두가지가 있다는 것입니다.
하나는 새로운 우주를 잉태할 수 있도록 웜홀을 통해 화이트홀로 연결되는 그런 블랙홀이구여...
두번째는 웜홀과의 연결이 없는 닫혀있는 구조의 블랙홀이라는 것이죠. 그에 해당하는 것은 일반적으로 위에서 이야기한 백조자리 X-1에 위치한 블랙홀처럼 물질이 중력이나 충격파 등에 의해서 무너지면서 생기는 블랙홀을 말합니다.
블랙홀과 아기우주에 대한 이야기는 호킹이 도입한 복소 시공간이란 개념에 의해서 생겨난 이야기입니다. 이때까지도 초끈이론이나 양자역학에 대한 고려가 이루어지지 않았었고,(또 이루어진다 해도 아직 이들 이론도 완전한 이론이 아니니 정확하지 못하겠죠.) 또 우리가 확인할 방법도 없겠죠... 평형우주론이나 유사우주론처럼 말이져..
'과학 > 연재' 카테고리의 다른 글
| 4-2 헬륨(He) 이야기 #2/2 (0) | 2004/04/04 |
|---|---|
| 8. 수은(Hg) 이야기... (1) | 2004/02/07 |
| 블랙홀 2 (0) | 2004/01/14 |
| 중력렌즈 현상...... (0) | 2004/01/14 |
| 7. 수소(H,D,T)에 대한 이야기 (2) | 2003/12/30 |
| 6. 탄소(C)에 대한 이야기 (0) | 2003/12/22 |
| 3. 철(Fe)에 대한 이야기 (0) | 2003/12/19 |
| 5. 알루미늄(Al)에 대한 이야기 (0) | 2003/12/11 |
| 2. 은(Ag)에 대한 이야기 (2) | 2003/12/08 |
| 블랙홀 1 (2) | 2002/06/04 |
댓글을 달아 주세요
7차원의 플랑크 공간 안에 갖힌 차원->6개이고 나머지 한개는 시간 차원
블랙홀과 아기우주에 대한 이야기는 호킹이 도입한 복소 시공간이란 개념에 의해서 생겨난 이야기입니다. 이때까지도 초끈이론이나 양자역학에 대한 고려가 이루어지지 않았었고->양자역학은 예전부터 고려됐습니다.
7차원의 플랑크 공간(닫힌 공간)과 4차원의 열린공간(이 중에서 한 차원이 시간)으로 구성된 11차원의 우주가 정확한 표현이죠. 7차원중 하나가 시간은 아닙니다.
호킹의 복소시간에 의한 블랙홀과 아기우주가 처음 등장했을 때 물론 초끈이론을 고려한 것은 아니었습니다. (양자역학은 고려되었었죠. 호킹이 원래 주특기가 양자역학...) 하지만 뒷날 초끈이론이 발전하면서 이 둘이 만나게 됩니다. 호킹이 아닌 초끈이론 학자들이 호킹이론을 도입하죠.