별의 진화와 일반상대성 이론의 만남 블랙홀

별의 진화와 일반상대성 이론의 만남 블랙홀

영화 〈인터스텔라〉를 본 사람이라면 한번쯤은 이런 의문을 가졌을 것이다. ‘사람이 정말로 블랙홀로 들어간다면 과연 어떤 일들이 벌어질 것인가?’라는 의문 말이다. 블랙홀은 모든 것을 빨아들이는 엄청난 힘을 가진 천체라는 것은 다들 알고 있다. 이번 호의 주제는 블랙홀이다. 구체적으로 블랙홀이 어떻게 생기고 블랙홀에 들어가면 어떤 일이 벌어지는지 알아보기로 하자.

천체에서 탈출하려면? 탈출속도를 넘어라!

블랙홀을 이해하기 위해서는 탈출 속도라는 개념을 이해해야 한다. 탈출속도는 천체의 중력을 이기고 천체로부터 멀어지는 데 필요한 최소한의 속도를 말한다. 즉 천체의 중력이 클수록 탈출하는 데는 더 큰 속도가 필요하다. 우리가 하늘 높이 힘껏 공을 던지면 공은 얼마 지나지 않아서 땅으로 다시 떨어진다. 만약 이 공을 초속 11.2㎞라는 엄청난 속도로 하늘로 던지면 어떻게 될까? 공기의 마찰을 무시한다면 공은 영영 지구를 떠나버릴 것이다. 지구의 탈출속도가 약 초속 11.2km라고 한다면 지구보다 질량이 큰 천체들의 탈출속도는 이보다 더 커질 것이다. 중력이 지구보다 엄청 큰 천체가 있다면, 특히 빛의 속도 이상의 탈출속도를 가진 천체가 있다면 빛조차도 빠져나오지 못할 것이다. 이런 아이디어에서 블랙홀 이론이 탄생했다.

블랙홀, 과연 어떻게 만들어지는 것인가?

간단히 얘기하면 블랙홀은 태양보다 8배 이상 거대한 별들이 초신성超新星 폭발을 일으킬 때 생기게 된다. 태양계는 크게 천체를 두 가지로 분류할 수 있다. 태양보다 질량이 큰 천체들, 태양과 질량이 비슷하거나 작은 천체들로 말이다. 우선 ‘우리 우주’를 보면 태양을 포함한 모든 항성은 생명이 영원한 것이 아니다. 우리 주위의 모든 것들이 수명이 있듯 태양의 경우 50억년 후면 수명을 다하게 된다. 보통 태양과 같은 항성이 수명을 다하면 크기가 부풀어 올라 적색거성赤色巨星이 된다. 이때 크기가 엄청나게 커지게 되며 주위의 항성들을 삼키게 된다. 만약 태양이 적색거성이 되면 금성까지는 모두 태양에 삼켜지게 된다. 그 후엔 크기가 서서히 쪼그라들게 되며 중성자별이 된다. 그 후 백색왜성白色矮星이라는 최종 단계에 이르게 된다.

하지만 태양보다 질량이 훨씬 큰 항성이 수명을 다하는 경우에는 가스층이 팽창해 항성 바깥으로 빠져나가버린다. 이것이 유명한 초신성 폭발이며 이 후 항성은 빠르게 수축을 하게 된다. 수축이 계속되다 보면 빛조차도 빠져 나올 수 없는 중력을 가지게 되는데 이것이 바로 블랙홀이다.

부피가 없는데 질량이 있다? 블랙홀 속에서 천체가 특이해진다

태양보다 질량이 20배 이상 큰 별이 죽을 때도 마찬가지로 초신성 폭발이 일어나게 되는데 이때 폭발 당시의 에너지는 너무나 크기 때문에 중심의 중성자별은 버티지 못하고 무너져버리게 된다. 중성자별 표면의 중성자가 무너지기 시작하면 그 밑에 있는 중성자는 더 큰 압력을 받아 아래로 무너지고 그 밑에 있는 중성자는 또 아래로 무너져 연속적으로 계속 무너지게 된다. 초신성 폭발이 일어나면 별의 바깥부분은 터져 나가지만 핵은 중앙의 한 점으로 급격하게 수축하게 되는 것이다. 결국 블랙홀 중심에 놓이는 천체는 부피가 없고 질량만 있는 특이점을 가진다.

블랙홀, 드디어 이름을 얻다

블랙홀이라는 천체가 처음부터 블랙홀이라는 이름을 가졌던 것은 아니다. 1969년, 미국의 존 휠러John Archibald Wheeler(1911~2008)는 블랙홀이라는 이름을 처음 지었다. 믿겨지지 않는 일이지만, 사실 이전에는 ‘블랙홀’이란 이름조차 없었다. 그 대신 ‘얼어붙은 별’, ‘붕괴한 별’ 등의 이상한 이름으로 불려온 것이다. 그리고 블랙홀은 ‘빛까지 빨아들이는 지옥’ 또는 ‘시공간의 무서운 구멍’ 등으로 불려왔다.

인터스텔라와 같은 시간여행, 블랙홀로 가능해질까?

〈인터스텔라〉에서 주인공이 블랙홀을 통과해 행성으로 들어가는 장면을 볼 수 있다. 과연 〈인터스텔라〉와 같은 시간여행이 블랙홀을 통해 가능한 것일까? 지금까지의 과학으로는 불가능해 보인다. 블랙홀을 통해 천체로 들어가게 되면 다른 쪽 블랙홀로 나온다고 해도 다시 블랙홀로 들어오게 된다. 만약에 지금까지 학설로만 존재하는, 무엇이든지 내놓기만 하는 화이트홀이 존재한다면 가능해질 수 있다. 지금까지 학계에는 블랙홀black hole과 화이트홀white hole이 존재하고, 이 둘을 연결시켜주는 웜홀worm hole이라는 존재가 있다고 한다. 이 모든 것이 존재한다면 우리가 가고 싶은 도착지에 화이트홀을 만들고 블랙홀로 들어가 웜홀을 통해 이동할 수 있을 것이다. 아무리 멀리 떨어져 있는 공간이라도 빛의 속도보다 빠른 공간이기에 들어가자마자 나오는 신기한 현상을 볼 수 있을 것이다. 그러나 문제는 웜홀에 있다. 여기를 어떻게 지나가느냐가 문제인데 이곳이 워낙 비좁아서 원자마저도 통과하지 못하는 곳인데, 여기를 통과하여 화이트홀로 나온 뒤 블랙홀로 들어가기 전의 자신의 몸과 생각이 그대로 유지될지는 의문이다. 또 다른 문제점은 지구에서 십만 광년 떨어진 곳에 이러한 방식으로 여행을 다녀온다면 자신의 시간은 멈춘 상태로 여행하였지만 지구의 시간은 흐르고 있기 때문에 지구는 몇 만 년이 지나있을지도 모른다. 몇 만 년이 지난 지구에는 이미 인류가 멸망하였을지도 모르고, 설사 인류가 존재한다 하더라도 자신을 아는 사람은 아무도 없을 것이다. 돌아왔을 때의 시간까지 고려한다면 한번 여행하기 위해서 엄청나게 복잡한 계산을 해야 할 것이고 웜홀을 통과하다 죽을 수도 있는 위험한 여행이 될 것이다.

블랙홀, 우리의 생활에 다가오다

천체망원경의 개발로 여러 은하 중심 부분에서 태양보다 수억 배 더 무거운 블랙홀들이 존재한다는 사실도 밝혀졌다. 실제로 이들은 크기가 태양계만 하고, 태양과 같은 별 1천억 개 정도가 낼 수 있는 에너지를 방출하고 있다. 이렇듯, 이제는 ‘과연 블랙홀은 존재 하는가?’라고 물을 때가 아니라 ‘블랙홀은 몇 종류나 있는가?’를 물을 때인 것이다. 또 위에서 한 얘기처럼 블랙홀과 화이트홀, 웜홀을 통과할 수 있으면 우주여행에 있어 지름길의 역할을 할 수 있다. 블랙홀과 화이트홀의 경우 스티븐 호킹의 이론으로 무엇이든 빨아들일 수 있는 블랙홀이 무엇이든 뱉을 수 있는 화이트홀과 같다는 주장이 과학적 입지를 쌓고 있다. 블랙홀과 화이트홀을 이어주는 웜홀, 웜홀이 무엇인지 다음 회에서 자세히 알아보자.

스티븐 호킹 “블랙홀에도 출구 있다”(2015년 8월 26일 신문기사 인용)

영국 우주물리학자 스티븐 호킹이 블랙홀 관련 새로운 이론을 제시했다. 호킹은 8월 25일(현지 시각) 스웨덴 스톡홀름의 KTH왕립과학원에서 열린 대중 강연에서 “블랙홀에 물체가 빨려 들어갈 때 물체의 정보(양성자 수, 입자의 질량, 입자의 위치 등)는 블랙홀 내부가 아니라 블랙홀의 경계선인 ‘사건의 지평선’(event horizon)에 저장되는 것”이라는 견해를 밝혔다. 호킹의 주장에 따르면 사건의 지평선 안쪽으로 들어온 물체는 블랙홀로 빨려 들어가게 되는데, 이때 입자들이 사건의 지평선에 정보 흔적을 남긴다. 이곳에 저장된 정보들은 이후 블랙홀이 반입자는 빨아들이고 입자는 서서히 방출하는 ‘호킹 복사’(Hawking Radiation)가 이뤄지는 과정에서 입자와 함께 밖으로 나온다는 것이다. 이 정보는 블랙홀 가장자리에서 일종의 홀로그램 상태로 변형되거나, 다른 우주로 나오게 된다. 다만 정보가 혼란스럽고 쓸모없는 상태로 변해버렸기 때문에 다 타버려 재만 남은 백과사전처럼 정보의 기능은 이미 다 사라진 후라고 호킹은 설명했다.

호킹은 “블랙홀은 생각만큼 검지도 않고, 영원한 감옥도 아니다”라며 “블랙홀에 들어간 물체는 블랙홀 밖으로나 어쩌면 다른 우주로 나올 수 있다”고 말했다. 호킹은 지난 1975년 호킹 복사 이론을 발표하면서 블랙홀이 서서히 입자를 방출하다 결국 증발해버리고, 이때 블랙홀이 빨아들인 물질의 정보는 나오지 못한 채 블랙홀과 함께 사라진다고 주장했다. 그러나 이런 주장은 입자와 입자가 상호작용을 통해 흡수, 붕괴되어도 정보 손실은 있을 수 없다는 양자역학의 기본원리에는 반하기 때문에 이 같은 ‘정보 역설’(information paradox)은 물리학자들 사이에서 오랜 논쟁거리였다.



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