[우주과학] 블랙홀에 대해 알아야할 거의 모든 지식!

블랙홀이란 무엇이며 어떻게 발견했나?

블랙홀은 천체 물리학에서 일상적인 상상으로 탈출했습니다. 그러나 그것들의 본성과 심지어는 그들의 존재에 대한 우리 지식의 격차는 상당합니다.

블랙홀은 관찰이 아니라 이론에서 탄생했습니다. 우리는 맑은 밤하늘을 올려다볼 수 있는 동안 기존의 별에 대해 알고 있었습니다.

그러나 아무도 블랙홀을 본 적이 없습니다. 오히려 그런 존재가 존재하는지 확인할 길이 없는 시대에 존재한다고 예측했다. 그리고 그 예언은 한 번이 아니라 두 번 일어났습니다.

블랙홀을 최초로 연구한 사람은?

이 문제에 대한 최초의 영감받은 생각은 18세기로 거슬러 올라갑니다. 그가 '검은 별'이라고 부르는 것을 꿈꾼 사람은 훗날 성직자가 된 케임브리지 과학자인 존 미셸이었습니다. 그 당시 최신 과학의 두 가지 핵심 아이디어를 결합하여 개념을 생각해 낸 것은 그의 목사로써의 관점 비롯되었습니다.

하나는 탈출 속도였습니다. Michell은 총알이 공중으로 똑바로 날아갈 때 총알이 총을 떠나면 공기 저항과 중력이라는 두 가지 힘만 작용한다는 것을 알고 있었습니다.

높을수록 이 두 힘이 약해집니다. 공기는 가늘어지고 Newton이 분명히 밝혔듯이 중력의 인력은 관련된 신체 중심(이 경우 총알과 지구) 사이의 거리의 제곱으로 떨어집니다.

미셸 시대의 흑색 화약총의 일반적인 총알은 초당 300미터까지 이동할 수 있었습니다. 그러나 이 놀라운 속도에도 불구하고 속도를 늦추는 힘이 총알을 지구로 되돌려 놓았습니다.

 

하지만 Michell은 약 37배 더 빠르게 날아가는 총알이 지구의 인력을 극복하고 우주로 날아갈 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 탈출 속도를 달성했을 것입니다.

그는 이 아이디어를 덴마크의 천문학자 Ole Rømer가 목성의 위성 타이밍의 명백한 변화가 행성에서 우리에게 도달하는 데 걸리는 시간의 변화로 인해 발생 한다는 것을 깨달았을 때 발견한 1670년대의 발견과 결합했습니다 .

Ole Rømer는 빛의 속도를 계산하여 빛이 즉시 이동하는지 아니면 매우 빠르게 이동하는지에 대한 논쟁을 해결했습니다.

고대부터 빛이 순간적으로 이동하는지 아니면 매우 빠르게 이동하는지에 대한 논쟁이 있었습니다.

Rømer는 궤도에서 목성과 지구의 상대적인 위치 변화가 빛이 우리에게 도달하는 데 걸리는 시간을 변화 시켰기 때문에 측정 가능한 속도 에 대한 증거를 발견했습니다 . 그는 빛의 속도를 약 220,000km/s로 계산했습니다.

다음 100년 동안 이 수치는 더 정확하게 측정되어 Michell이 ​​현재의 300,000km/s에 더 가까운 것으로 작업하고 있었습니다. 그러나 특정 값은 중요하지 않습니다. 요점은 빛에 속도가 있다는 것이었습니다.

탈출 속도와 유한한 속도를 갖는 빛의 두 개념을 결합하여 Michell은 무거운 별이 빛의 속도보다 빠른 탈출 속도를 갖는다면 어떤 일이 일어날지 궁금했습니다. 몸의 질량이 많을수록 탈출 속도가 높아집니다.

따라서 원칙적으로 별이 너무 커서 빛조차 빠져 나오지 못할 수 있습니다. 그러한 '검은 별'은 거대해야 할 것입니다. 예를 들어 태양 표면으로부터의 탈출 속도는 600km/s 이상이지만 여전히 빛의 속도보다 훨씬 낮습니다.

 

Michell의 이론은 빛이 중력에 의해 다른 발사체처럼 느려질 수 있는 정상적인 입자로 구성되어 있다는 잘못된 가정에 기반을 두고 있습니다. 그러나 이 신비한 '검은 별'에 대한 생각은 역사 속으로 사라졌습니다.

20세기로 빠르게 돌아가서 칼 슈바르츠실드는 1차 세계 대전의 열기와 공포 속에서 이론을 되살렸습니다. 때는 1915년이었고 41세의 독일 물리학자가 독일군에 합류하기로 자원했습니다.

어떻게든 주변의 황폐함에서 벗어나 아인슈타인의 우아한 방정식과 그의 새로운 일반 상대성 이론에 대해 생각할 시간을 찾았습니다.

 

강착 디스크가 있는 블랙홀의 그림

아인슈타인의 방정식은 보편적인 솔루션을 제공하기에는 너무 복잡하지만 Schwarzschild는 회전하지 않는 구체의 특수한 경우에 대해 풀었습니다.

그 물체의 모든 질량이 현재 슈바르츠실트 반지름이라고 불리는 크기의 구체에 쑤셔넣어지면 시공간의 왜곡이 너무 커서 물체의 빛이 결코 빠져나갈 수 없다는 것이 수학에서 나왔습니다. 그 반경의 몸체 주위에 구보다 가까운 것은 블랙홀의 사건 지평선인 돌아오지 않는 표면을 통과할 것입니다.

그러한 몸체의 가장 명백한 출처는 붕괴하는 별일 것입니다. 정상적인 작동에서 별의 핵 반응은 중력에 대항하여 별을 부풀립니다. 그러나 이러한 반응이 사라지기 시작하면 별의 물질이 붕괴될 수 있습니다.

2012년 현재까지 초거대질량 블랙홀에 의해 별이 찢겨졌다는 가장 좋은 증거가 하와이의 Pan-STARRS 망원경으로 감지되어 존스 홉킨스 대학의 팀이 분석했습니다.

이 붕괴는 파울리 배제 원리라는 양자 효과에 의해 중단되어 매우 조밀한 중성자별을 형성할 것으로 예상됩니다. 그러나 별이 태양 질량의 약 3배를 초과할 만큼 충분히 무겁다면 배제 원리를 극복해야 하고 붕괴는 막을 수 없을 것입니다.

원칙적으로 블랙홀의 물질은 무한한 밀도를 가진 '특이점'과 접근함에 따라 무한대로 향하는 중력과 같은 무차원 지점까지 계속 붕괴될 것입니다.

실제로, 우리는 실제로 어떤 일이 일어날지 모릅니다. 왜냐하면 특이점은 우리의 물리학이 무너졌다는 것을 인정하기 때문입니다.

블랙홀은 어떻게 관측하나요?

슈바르츠실트 이후 한동안 블랙홀은 순전히 이론적인 것이었습니다. 또는 최소한 붕괴된 별은 아직 더 흥미로운 별명을 얻지 못했기 때문입니다. '블랙홀'은 종종 미국 물리학자 존 휠러의 탓으로 돌리지만, 그 기원은 수수께끼에 싸여 있습니다.

이 용어는 1964년 1월 미국 과학 진흥 협회(American Association for the Advancement of Science) 회의에서 처음 보고되었습니다. 누가 그것을 사용했는지 확실하지 않지만 Wheeler는 곧 이 용어를 선택하여 대중화했습니다. 블랙홀을 찾는 것은 시간 낭비처럼 보일 수 있습니다.

독특한 제트가 있는 블랙홀 그림

빛을 내지 않는 것을 어떻게 보십니까? 그러나 블랙홀의 물리학이 발전하면서 과학자들은 간접적인 경로가 가능하다는 것을 깨달았습니다.

천문학자들은 구멍 자체를 볼 수 없기 때문에 부수적인 작용에 대한 산서를 찾아야 합니다. 물질이 회전하는 구멍으로 끌려갈 때 우주의 모든 것이 잘 회전할 때 마찰의 결과로 밝게 빛나는 '강착 원반'을 생성해야 하며 또한 극에서 독특한 '제트'를 생성해야 합니다.

그런 다음 중력 효과가 있습니다. 우리는 블랙홀의 영향을 받는 근처의 천체를 통해 블랙홀의 존재를 볼 수 있습니다.

이것은 유서 깊은 기술이며 과거에 해왕성의 존재를 추론하는 데 사용되었습니다 . 천문학자들은 다른 행성의 궤도가 해왕성의 중력에 의해 영향을 받는 방식을 연구했습니다.

 

블랙홀의 반대편에는 무엇이 있을까?

블랙홀 은 떨어지는 빛과 물질이 돌아올 수 없는 지점을 표시하는 가상의 막인 '사건의 지평선'으로 정의됩니다 . 태양이 블랙홀이 된다면 ( 충분히 거대하지 않기 때문에 불가능) 사건의 지평선은 6km에 불과합니다.

가장 큰 초대질량 블랙홀 은 태양보다 수백억 배 더 무겁고 모든 은하의 심장부에 존재하지만 그 이유는 아무도 모릅니다. 이 초대질량 블랙홀은 태양계보다 더 큰 사건의 지평선을 가지고 있습니다.

 

사건의 지평선을 넘어 블랙홀에 들어가면 시공간이 너무 왜곡되어 시간이 공간이 되고 공간이 시간이 됩니다. 이것이 블랙홀의 중심부에 블랙 위도우 거미처럼 숨어 있는 괴물 같은 무한 밀도 '특이점'을 피할 수 없는 이유입니다. 더 이상 공간을 가로질러 존재하지 않고 시간을 가로질러 존재합니다. 그것은 미래에 존재하며 내일 피할 수 있는 것보다 더 이상 피할 수 없습니다.

특이점의 반대편에 존재하는 것에 대해 일부 사람들은 이것이 우리 우주 또는 다른 우주의 멀리 떨어진 부분으로 가는 관문이라고 추측했습니다. 진실은 이론의 특이점은 그 이론의 붕괴를 표시하고 더 이상 말할 것도 없는 지점이라는 것입니다.

 

블랙홀의 중심에서 무슨 일이 일어나는지, '저쪽에는 무엇이 있을까?' 의미 있는 질문입니다. 우리는 아인슈타인보다 더 나은 중력 이론, 즉 '양자' 중력 이론이 필요합니다. 이것을 찾아내는 것이야말로 과학의 최고 과제 중 하나입니다!