블랙홀의 정의

블랙홀의 개념은 1969년 존 휠러라는 미국 과학자에 의해 조명되기 시작합니다. 빛은 입자 아니면 파동 둘 중에 하나라고 여겨졌으나 양자역학이 빛은 입자도 되고 파동도 된다는 것을 밝혀냈습니다.

문제는 빛이 파동과 입자로서 동시에 존재하는 해당 중력에 어떻게 빛이 반응하느냐 입니다. 만약 입자인 상태에서는 다른 물체들과 다르지 않게 중력의 영향을 받을 것입니다.

블랙홀의 정의

1783년 이 가정을 바탕으로 영국인 존 미셀은 이에 관한 글을 한 편 씀. 어떤 별은 너무 무겁고 밀도가 높아서 빛이 탈출할 수 없을 정도라고 여겼습니다. 별에서 발생하는 어떤 빛도 이 중력을 이기지 못하고 다시 빨려 들어간다는 것입니다. 미셀은 이런 별들이 꽤 많을 것이라고 가정합니다. 하지만 우리는 볼 수가 없었다 빛이 나오지 않기 때문에. 이를 우리는 블랙홀이라 부름. 거대한 검은 공극(구멍)이 우주에 나있는 것입니다.

비슷한 가정이 프랑스 과학자 피에르시몽 드 라플라스에 의해 제기되었습니다. 하지만 이 사람은 나중에 자신의 책에서 이 내용을 빼 버렸습니다. 너무 말이 안 되는 생각이라고 여겼습니다. 실상, 뉴턴의 중력을 적용하다 보면 빛이 중력에 영향을 받는다는은 게 말이 안 됐습니다. 왜냐면 빛의 속도는 언제나 일정하기 때문입니다. 대포는 아무리 강하게 하늘로 쏘아 올려도 중력이 다시 끌어당겼습니다. 하지만 빛은 그렇지 않었습니다. 빛은 일정한 속도로 뻗어나갔습니다.

1915년 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표하기 전까지는 제대로 된 이론이 없었었습니다.

블랙홀에 대해 이야기 하려면 별의 생애 주기를 알고 있어야 합니다. 가스, 다량의 하이드로젠이 얽히고설키고 열이 받고 중력에 이끌리며 자기들끼리 부딪치고 굳어가면서 별이 생성되었습니다. 가스는 팽창하려 하고 중력은 이를 끌어당김으로 결국 별이 생기게 됐습니다.

별은 이런 상태를 아주 오랫동안 유지합니다. 핵반응으로 열이 중력과 균형을 맞춤. 별에 가스가 많으면 많을 수록 더 빨리 식었습니다. 하이드로젠과 다른 핵연료를 더 빨리 소모합니다. 별이 클수록 더 드껍고 이는 중력과 균형을 맞춰야 하기 때문입니다. 뜨꺼우면 더 빨리 연료를 소모합니다. 우리 태양은 약 50억 년 남았지만 어떤 더 큰 태양은 이제 10억 년도 안 남았을 수 있었습니다.

연료를 다 사용하고나면 별이 식고 수축합니다. 1920년에 가서야 이를 이해하기 시작합니다.

인도 대학원 학생 부프라마냔 찬드라세카르는 영국 캠브릿지로 유학을 하고 있었었습니다. 아서 에딩턴과 공부하기 위해서입니다. 에딩턴은 일반 상대성의 전문가였었습니다. 어떤 과학잡지 기자가 에딩턴에게 "세계에는 일반 상대성 이론을 이해하는 사람이 세명 있음은 는 말이 있습니다."라고 말합니다. 에딩턴이 "그 세 번째 사람이 누군지 궁금하군요."라고 답합니다.

찬으라세카르가 영국으로 가던 중에 연료를 모두 사용한 뒤에도 어떻게 중력으로부터 자유로울 수 있는지 궁금했었습니다. 별이 작아지면 물질 입자가 서로 아주 가까워질 것이라고 봤다. 하지만 폴리 제외 원리에 의하면 물질 입자는 같은 속도로 같은 자리에 있을 수 없다고 합니다. 그럼 물질 입자는 다른 속도를 가져야 합니다. 찬드라세카르는 일정 수준까지는 이를 버틸 수 있음은 는 이론을 냈습니다. 이게 찬드라세카르 한계입니다. 별의 밀도가 이 한계보다 작으면 수축을 중단합니다.

그리해서 이 이론을 에딩턴은 부정합니다. 이 이론에 의하면 별이 완전 사라져야 되는 것입니다. 아인슈타인도 그리 주장했고 에딩턴도 이를 따랐었습니다. 찬드라세카르를 설득한다 딴 거 하라고 이거 말이 안 된다고. 하지만 이 사람이 나중에 1983년에 이 부분을 포한 다해서 노벨상을 받음.

하지만 일반 상대성으로는 여전히 증명이 안되고 이해할 수가 없었었습니다. 1939년 로버트 오펜하이머가 나타나기 전까지는. 로버트 오펜하이머는 핵폭판 개발에 깊이 관여된 인물입니다. 전쟁 이후에는 사람들은 작은 핵에 더 관심이 많았었습니다. 1960년대에 들어서 다시 천문학이 관심을 끔.

오펜하이머는 중력장이 빛의 이동경로를 바꾼다는 것을 알아냈습니다. 빛이 별의 표면에서 살짝 꺽이는 것입니다. 이는 일식 때 별을 멀리서 보면 보입니다. 별이 일정하게 줄어들면 표면의 중력장이 진짜로 강해져서 빛이 안쪽으로 휨 그래서 빛이 탈출할 수가 없어짐.

상대성 이론에 의하면 빛보다 빠른 건 없었습니다. 빛이 탈출 할 수 없다면 다른 것도 못 합니다. 중력장으로 모든 게 끌려 들어가는 거입니다. 이러면 확인자가 그럴 경우 별로부터 나오는 빛을 볼 수 없었다 이게 블랙홀입니다. 이 경계를 사건의 지평선 이벤트 호라이즌이라 부름. 이 이벤의 호라이즌 안으로는 들어가지만 나올 수가 없는 것입니다.

상대선 이론에서는 절대 시간이 같을 수가 없었습니다. 중력장 그리해서 시간이 다르게 갔습니다. 붕괴하는 별의 지표면에서 궤도를 도는 우주선에 매 초마다 신호를 보내는 사람이 있었습니다. 11시에 그 한계를 넘어 별이 작아짐 그러면서 중력장이 엄청 쌔짐. 그러면 빛이 빠져나갈 수 없었습니다.

그 행성을 도는 우주선에서 지켜보던 동료는 11시가 오면 올 수록 신호 사이에 간극이 점점 길어지는 것을 볼 수 있었습니다. 10시 59분 59초에는 차이가 아주 작었습니다. 행성에서 보낸 시간이 10시 59분 58초에서 1초 조금 넘게 기다리면 신호를 받을 수 있었습니다. 하지만 11시 신호는 영원히 기다려야 합니다.

10시 59분 59초와 11시 사에 송출된 신호는, 우주선에 보았을 때 영원한 시간 속으로 흩뿌려짐. 결국 이 별은 점점 사라지고 우주선에서는 볼 수가 없어짐. 블랙홀만 남었습니다. 하지만 여전히 똑같은 중력을 우주선에 가합니다. 왜냐면 별이 여전히 우주선에게는 보이기 때문이다, 최소 원론적으로는. 너무 붉은색이라 눈으로 볼 수가 없었습니다. 이 적광은 중력장에 아무 영향을 끼치지 못하기 그리하여 블랙홀 주변을 돌 수가 있었습니다.

우주 무한한 공간

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