블랙홀 중심에 존재할 수 있는 3가지 물체

 

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

 

블랙홀의 가장 깊은 곳에는 무엇이 존재하고 있을까요?

 

우리의 물리학을 모두 무너뜨리는 아주 기괴한 물질이 존재하고 있을까요?

 

아니면 다른 우주의 공간으로 연결되는 웜홀같은 통로가 존재하고 있을까요?

 

한가지 확실한 건, 이곳의 중력은 너무 강력해서 우리가 알고 있는 일반적인 개념은 통하지 않는다는 겁니다.

 

그래서 과학자들은 블랙홀의 중심을 가리켜 "특이점"이라고 부르고 있죠.

 

그래도 과학자들은 이 특이점을 설명하기 위해서 오랫 동안 많은 노력을 기울여왔습니다.

 

과연 과학자들은 블랙홀의 중심에 무엇이 존재할 것이라 예상하고 있을까요?

 

 

 

1. 플랑크의 별(Planck Stars)

 

 

블랙홀의 중심은 우리의 생각보다 훨씬 더 기괴할지도 모릅니다.

 

그동안 블랙홀의 중심에는 무한히 작은 점이 있을 것이라고 생각되어 왔었는데요.

 

하지만 이곳에는 점이 아니라, 물질이 취할 수 있는 가장 작은 상태의 무언가가 존재할 수 있습니다.

 

그리고 과학자들은 플랑크의 별이라고 하는 가상의 물체을 만들어냈죠.

 

쉽게 말해서 플랑크의 별은, 양자로 압축되어진 가상의 천체를 말합니다.

 

일부 과학자들은, 중력이 무수히 많은 양자들로 이루어져 있을 것이라고 제안하고 있는데요.

 

이 가설을 가리켜 루프 양자 중력 이론(loop quantum gravity) 이라고 합니다.

 

이 가설의 요지는, 이 세상의 모든 물질들은 양자라고 하는 미세한 알갱이로 이루어져 있다는 겁니다.

 

그래서 물질들은 아무 압축되어도 서로 이어지지 않는 불연속적인 특성을 갖고 있다는 거죠.

 

그리고 이러한 불연속적인 특성은, 블랙홀의 중심에서 무한히 작은 특이점이 만들어지는 것을 불가능하게 만듭니다.

 

블랙홀의 중심은 계속 붕괴하다가 어느 지점에 도달하게 되면 결국 저항에 부딪히게 된다는 건데요.

 

루프 양자 중력 이론에서는 그 한계점을 10^-35미터의 약 1.68배 정도로 제안하고 있습니다.

 

그래서 블랙홀의 중심은 아무리 압축되어도 절대로 이 수치보다는 작아질 수가 없다는 겁니다.

 

물론 이러한 크기도 말이 안될 정도로 아주 미세하긴 하지만, 적어도 무한하게 작아지지는 않죠.

 

결국 이 한계점에 도달하게된 블랙홀의 중심은 결국 강한 압력에 의해서 다시 폭발하게 됩니다.

 

하지만 우리가 블랙홀의 폭발하는 모습을 목격하는 일은 그렇게 쉽지는 않은데요.

 

블랙홀의 주변에서 일어나는 극단적인 시간의 왜곡이, 블랙홀의 내부 모습을 가리고 있기 때문입니다.

 

아마도 수십억 년 길게는 수조 년이 흐른 뒤에야 블랙홀이 폭발하는 모습을 볼 수 있게 될 겁니다.

 

그런데 이 가설은, 참 기묘하게도 우주의 근원을 설명하는 빅바운스와 닮아있습니다.

 

 

2. 그라바스타(Gravastar)

 

 

어쩌면 블랙홀의 중심에는 그라바스타라는 물체가 존재할지도 모릅니다.

 

검색해도 잘 나오지 않을 정도로 대중에게 잘 알려져 있지 않은 개념의 가설인데요.

 

이 가설에 따르면, 블랙홀의 중심에는 특이점 대신 암흑 에너지로 가득차 있는 물체가 존재할 수 있습니다.

 

암흑 에너지는 우주의 약 70% 정도를 차지하고 있는 정체 불명의 에너지를 말합니다.

 

과학자들은 이 암흑 에너지가 별도로 존재하는 에너지가 아니라, 우주의 시공간 자체에 내재된 하나의 성질로 이해하고 있죠.

 

그리고 이 암흑 에너지는 우주를 점점 더 빠르게 팽창시킨다는 특성도 가지고 있습니다.

 

일부 과학자들은 블랙홀의 중심이 이러한 암흑 에너지로 가득차 있을 것이라고 제안하고 있는데요.

 

그래서 블랙홀의 중심으로 떨어지는 수 많은 물질들은, 이 그라바스타를 절대로 넘을 수가 없다는 겁니다.

 

앞에서 설명했듯이 그라바스타는 암흑 에너지로 가득차 있고, 암흑 에너지는 팽창하는 특성을 가지고 있기 때문입니다.

 

그리고 블랙홀의 안쪽으로 떨어지는 물질들과 바깥으로 팽창하는 암흑 에너지는 결국 또다른 사건의 지평선을 만들게 됩니다.

 

아마도 블랙홀의 중심으로 떨어진 물질들은 그라바스타가 만들어낸 사건의 지평선 쪽에 모두 모여있을 겁니다.

 

하지만 블랙홀의 바깥쪽에서 봤을 때는, 블랙홀이 물질을 빨아들이고만 있는 것처럼 보이게 되죠.

 

그런데 최근에 중력파가 잇달아 관측이 되면서, 그라바스타 가설은 조금씩 힘을 잃어가고 있는데요.

 

관측되는 중력파의 형태가 그라바스트의 합병에서 예측되었던 중력파의 형태와 많이 달랐기 때문입니다.

 

좀 더 지켜봐야 하겠지만, 그라바스타 가설이 위기에 처해 있는 것은 확실합니다.

 

 

 

3. 회전하는 특이점

 

 

플랑크 별이나 그라바스타는 이름은 멋있지만 좀 비현실적인 느낌이 있습니다.

 

어쩌면 블랙홀의 중심은 우리의 이해선상에 크게 벗어나 있지 않을 지도 모릅니다.

 

일단 우리는 블랙홀의 특이점에 대한 고정 관념을 먼저 버려야될 필요가 있습니다.

 

우리는 특이점이 단순히 무한한 밀도로 압축된 하나의 고정된 점이라고만 생각해 왔는데요.

 

하지만 특이점은 고정되어 있지 않고 매우 빠르게 회전하고 있을 가능성이 있습니다.

 

그리고 특이점의 주변은 극도로 빠른 회전력 때문에 고리의 형태로 확장되어 있을 수 있죠.

 

아인슈타인은 이 고리의 특이점을 통과하게 되면, 반대쪽으로 이어진 장소로 이동하게 된다고 생각했습니다.

 

그런데 여기에는 몇가지 치명적인 문제가 있는데요.

 

그 중에 하나는, 강렬하게 회전하는 특이점의 내부가 극도로 불안정한 상태라는 겁니다.

 

고리의 형태로 확장된 빠르게 회전하는 특이점은 강력한 원심력을 발생시키게 됩니다.

 

이러한 특이점의 원심력은 아이러니하게도 블랙홀의 중심에서 반중력을 만들어내죠.

 

한마디로 블랙홀의 중심에서 물질을 당기는 힘이 아니라, 반대로 밀어내는 힘이 만들어진다는 겁니다.

 

이러한 현상은 결국 블랙홀의 내부에서 또다른 지평선(Cauchy horizon)을 만들어내는 원인으로 작용하게 됩니다.

 

그리고 블랙홀의 안쪽으로 떨어지고 있던 다양한 전자기파들은 이 지평선에서 다시 밀려나게 되죠.

 

만약 우리가 블랙홀의 안쪽으로 계속 내려가게 된다면, 전자기파로 둘러싸여 있는 이 내부의 지평선을 만나게 될 겁니다.

 

그리고 우주의 과거의 모습이 아주 순식간에 우리의 눈앞을 스쳐 지나가게 될 겁니다.

 

암튼, 이 내부의 지평선 쪽에 전자기파들이 계속 쌓이게 되면, 블랙홀도 다양한 영향을 받게 될 겁니다.

 

 

 

이번 시간에는 블랙홀 안에서 일어나는 일들에 대한 가설 3가지를 살펴봤는데요.

 

과연 블랙홀 안에는 무엇이 있으며, 이곳에는 어떠한 일들이 일어나고 있을까요?

 

무엇보다 가장 두려운 것은 우리는 이 미스터리를 영원히 풀 수 없을 지도 모른다는 겁니다.

 

 

https://youtu.be/1BWNM0xFP1Y?si=tsfO0WODWhkHRClS

 

 

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