블랙홀이 실제로 존재하는지를 알 수 있는 7가지 방법

블랙홀은 정말 존재하는 걸까?

 

 

※ 본 내용은 유튜브 채널 '책밖과학'에서 제공하며, 타 블로그 및 유튜브 채널에서의 사용을 절대 금지합니다.

 

블랙홀의 중력은 너무 강력해서 빛 조차 빠져나올 수 없습니다.

 

또한 블랙홀의 강력한 중력은 그 주변의 시공간을 아주 강하게 휘저어 놓고 있죠.

 

뿐만 아니라, 블랙홀의 안쪽은 인류의 과학으로도 도저히 설명할 수 없는 미스터리로 가득합니다.

 

우리의 상식을 뛰어넘는 이러한 특징때문에, 블랙홀은 공상 과학 영화의 소재로 많이 이용되어 왔습니다.

 

블랙홀은 가히 우주에서 가장 이상한 천체라고 불러도 과언이 아닙니다.

 

하지만 블랙홀은 너무 어두워서 가장 강력한 망원경을 이용해도 직접 볼 수는 없습니다.

 

그럼에도 불구하고 과학자들은 블랙홀의 이러한 특성들을 어떻게 알아낸 것일까요?

 

그냥 단순히 추정일뿐인 걸까요? 아니면 블랙홀은 상상속에서만 존재하는 천체인걸까요?

 

블랙홀은 정말 존재하기는 하는걸까요?

 

 

 

1. 아인슈타인의 예측

 

 

블랙홀은 1916년 칼(카를) 슈바르츠실트에 의해 처음 예측되었습니다.

 

그는 블랙홀이라는 천체는 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 불가피한 결과라고 생각했죠.

 

즉, 아인슈타인의 상대성 이론이 모두 옳다면 블랙홀은 무조건 존재해야 된다는 겁니다.

 

또한 로저 펜로즈라는 과학자는 일반 상대성 이론을 이용해 블랙홀의 특이점을 연구하기 시작했는데요.

 

펜로즈는 천체가 블랙홀로 붕괴되면 기존의 모든 물리 법칙이 무너지는 특이점이 발생된다는 것을 수학적으로 증명했습니다.

 

이를 통해 더 많은 과학자들이 블랙홀의 존재를 믿게 되었고, 블랙홀에 대한 연구도 활발히 진행될 수 있었죠.

 

참고로 로저 펜로즈는 특이점 논문을 비롯해 블랙홀 연구에 대한 공로가 인정되어 2020년에 노벨 물리학상을 수상하기도 했습니다.

 

하지만 아직 이론에 불과합니다. 더 많은 사람들을 설득시키려면 블랙홀의 흔적을 찾아야 합니다.

 

 

2. 감마선 폭발

 

 

오랫동안 과학자들은 모든 연료를 소모한 항성의 마지막에 대해서 연구해 왔습니다.

 

그리고 항성의 마지막 모습은 질량에 따라서 달라진다는 사실을 발견할 수 있었죠.

 

보통 모든 연료를 소모한 항성들은 중심핵이 붕괴되면서 바깥층이 날아가 중심핵만이 남게 됩니다.

 

우리 태양 정도의 질량을 가진 항성은 행성상 성운의 과정을 거쳐 백색 왜성이 되며, 이보다 더 높은 질량을 가진 항성들은 초신성을 거쳐 중성자 별이 됩니다.

 

그런데 태양의 20배가 넘는 질량을 가진 더 무거운 항성들은 초신성을 거쳐 블랙홀로 붕괴됩니다.

 

이 때 중심핵은 블랙홀이 되는 과정에서 순간적으로 감마선 폭발을 일으켜 엄청난 양의 에너지를 우주로 방출하게 되는데요.

 

감마선 폭발이 내뿜는 에너지의 양은 일반적인 항성들이 평생동안 방출하는 에너지에 필적한다고 할 수 있습니다.

 

그동안 과학자들은 이러한 감마선 폭발의 흔적을 많이 감지해 왔으며, 그 중 일부는 수십억 광년 떨어진 은하에서 온 것도 있었죠.

 

우리는 이러한 감마선 폭발의 흔적을 통해 블랙홀의 탄생을 엿볼 수 있습니다.

 

 

3. 중력파

 

 

블랙홀은 항상 혼자서만 활동하지 않습니다.

 

종종 두 개의 블랙홀이 쌍성을 이루어 서로의 궤도를 돌고 있는 경우도 있죠.

 

이러한 블랙홀들은 서로의 중력에 의해 시공간의 진동을 만들고, 이 진동은 우주로 점점 퍼져나가게 됩니다.

 

마치 연못에 돌을 던졌을 때 동심원을 그리며 퍼져나가게 되는 물결처럼 말입니다.

 

이러한 진동을 가리켜 중력파라고 하며, 아인슈타인이 상대성 이론을 통해 예측했던 현상이기도 합니다.

 

과학자들은 2015년이 되어서야 처음으로 중력파를 감지하는데 성공했는데요.

 

그 이후로 관측 장비의 개선을 통해 지금까지 다양한 중력파들을 감지해 오고 있습니다.

 

가장 최근에 감지된 중력파는 2020년 초에 감지된 GW200105와 GW200115라는 두 개의 중력파였습니다.

 

과학자들은 이 중력파를 분석하여, 블랙홀과 중성자 별이 충돌하여 만들어졌다는 사실을 알아낼 수 있었습니다.

 

 

* 관련 내용 : https://livelive.tistory.com/988

과학자들은 처음으로 블랙홀과 중성자별의 충돌을 감지했습니다. [신박과학]

 

 

4. 보이지 않는 동반자

 

밝은 빛의 두개의 별, 움직임이 이상하다.

 

많은 블랙홀들이 감마선 폭발이나 중력파와 같은 뚜렷한 흔적들을 남깁니다.

 

하지만 대부분의 블랙홀들은 우리가 감지할 수 있는 뚜렷한 신호를 만들어내지 않습니다.

 

그렇기 때문에 우리는 우주에 얼마나 많은 블랙홀들이 존재하는지 알 수가 없죠.

 

이 얘기는, 우리가 전혀 예상하지 못했던 장소에도 블랙홀이 숨어 있을 가능성이 있다는 얘기가 됩니다.

 

그렇다면 이렇게 조용한 블랙홀들은 어떻게 찾아낼 수 있을까요?

 

쉽지는 않겠지만 그래도 방법은 있습니다. 바로 중력을 이용하는 겁니다.

 

 

 

 

2020년에 처음 발견된 HR 6819라는 쌍성은, 처음에는 그냥 평범해 보이는 쌍성처럼 보였습니다.

 

그런데 이 쌍성을 관찰하면 할수록 이들의 움직임이 뭔가 부자연스럽다는 것을 발견하게 되었는데요.

 

마치 이 두 별들은 눈에 보이지 않는 세 번째 천체의 영향을 받고 있는 것 처럼 움직이고 있었습니다.

 

그리고 이 세 번째 천체의 질량은 최소한 태양 질량의 4배 이상이 되어야 한다고 계산되었죠.

 

태양 질량의 4배에 달하지만 눈이 보이지 않는 어두운 천체..

 

이러한 모든 특성에 부합하는 천체는 딱 하나밖에 없었습니다. 바로 블랙홀입니다.

 

참고로 이 블랙홀은 우리에게서 약 1,000광년 떨어져 있었으며, 가장 가까운 블랙홀로 판명되었습니다.

 

 

5. 초대질량 블랙홀

 

 

일반적으로 블랙홀은 무거운 항성이 붕괴되어 만들어지게 됩니다.

 

하지만 우주에는 여전히 설명되지 않는 블랙홀들도 존재하고 있습니다.

 

이 블랙홀들은 태양 질량의 수백만 또는 수십억 배에 달하는 어마어마한 질량을 가지고 있는데요.

 

이러한 블랙홀을 가리켜 초대질량 블랙홀이라고 하며, 보통 은하의 중심에 자리를 잡고 있습니다.

 

과학자들은 여러가지 간접 증거들을 통해서 이러한 초대질량 블랙홀의 존재를 확인해 오고 있죠.

 

예를 들어, 우리 은하 중심에 있는 별들은 빛의 속도의 최대 8%에 달하는 아주 빠른 속도로 중심을 돌고 있습니다.

 

그리고 이 별들은 은하 중심을 나선팔의 모양을 그리며 아주 규칙적으로 돌고 있었습니다.

 

별들의 움직임이 예사롭지 않습니다.  정체는 잘 모르겠지만, 아주 작고 엄청나게 무거운 무언가가 은하 중심에 분명히 존재하고 있음은 확실해 보입니다.

 

과학자들은 이 무언가의 질량을 계산했고, 태양 질량의 무려 4백만 배라는 결과를 얻을 수 있었습니다.

 

태양 질량의 4백만 배에 달하는 천체.. 초대질량 블랙홀 이외에 설명할 수 있는 천체는 우주에 존재하지 않습니다.

 

 

6. 스파게티화(국수효과)

 

 

블랙홀에 대한 또 다른 증거는 바로 스파게티화(국수효과)입니다.

 

스파게티화란, 블랙홀에 빨려들어가는 물체가 극도의 중력에 의해 스파게티처럼 늘어나는 현상을 말하는데요.

 

우리는 평생동안 이러한 일을 겪을 일은 없지만, 우주에서는 이러한 일들이 빈번하게 일어나고 있습니다.

 

2020년 10월 경, 과학자들은 블랙홀로 빨려들어가는 물체가 만들어낸 스파게티화의 흔적을 목격했습니다.

 

바로 특정 지점을 실뭉치처럼 여러번 감고 있는 여러 가닥의 파장을(흡수선) 포착한 건데요.

(흡수선 : 주파수 영역에 걸쳐 물질에 의해 흡수된 전자기 복사의 파장)

 

과학자들은 이것이 블랙홀로 빨려들어가고 있는 천체에 의해 만들어진 스파게티화라고 결론내렸습니다.

 

이 별을 빨아들이고 있는 블랙홀은 태양 질량의 3천만 배에 달했으며, 지구에서 약 7억 5천만 광년 떨어져 있었죠.

 

스파게티화의 직접 관측은, 블랙홀이 존재를 말해주는 가장 강력한 간접 증거라고 할 수 있습니다.

 

 

7. 직접 촬영

 

 

앞서 소개했던 간접 증거들이 있어도 여전히 미심쩍어 하는 사람들이 있을 수 있습니다.

 

하지만 이 마지막 증거를 통해 그 동안의 의심은 모두 사라지게 될 겁니다.

 

바로 과학자들이 촬영한 블랙홀의 사진을 통해서 말입니다.

 

2019년 4월에 과학자들은 드디어 초대질량 블랙홀의 직접적인 이미지를 얻는데 성공했습니다.

 

이 블랙홀 사진은 하나의 망원경이 아닌, 전 세계에 흩어져 있는 수 많은 전파 망원경들을 연결해서 얻을 수 있었는데요.

 

과학자들은 처녀자리 A은하의 중심을 겨냥해서 이 놀라운 초대질량 블랙홀의 사진을 찍을 수 있었죠.

(이 사진 자체는 블랙홀 자체가 아니라 블랙홀의 그림자를 촬영한 것 입니다.)

 

블랙홀에 의해 가려진 중심부의 어두운 그림자와 그 주변에서 밝게 빛나고 있는 고리가 아주 인상적입니다.

(참고로 오렌지색 빛은 과학자들이 임의로 선택한 색입니다. 전파는 색이 없습니다.)

 

태양 질량의 65억 배의 질량을 가지고 있는 이 블랙홀은, 블랙홀의 존재를 가장 확실하게 보여주는 증거라고 할 수 있습니다.

 

https://youtu.be/1Kb_jwNZyHU?si=GhYaK75z9UFUJFnk

 

 

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