[펌]우주의 검은구멍 블랙홀

아인슈타인의 일반상대성이론은 빛도 중력의 영향을 받는다고 예측한다. 실제로 영국의 물리학자 에딩턴은 개기일식 때 태양 뒤에서 오는 별빛을 관측하여 빛의 경로가 휘어지는 것을 확인하였다. 천체의 밀도가 커질수록 별빛이 휘어지는 정도는 더 커진다. 만약 천체의 밀도가 극단적으로 높으면 빛이 천체 속으로 빨려 들어가 나오지 않는 경우도 생각할 수 있다. 이런 천체를 블랙홀이라 부른다. 예를 들어 태양(반경 69만㎞)을 반경 3㎞까지 압축한다면 블랙홀이 될 것이다. 하지만 이렇게 천체를 고밀도로 압축시키는 일이 가능할까? 우주의 탄생기, 즉, 빅뱅의 초기에는 우주의 밀도가 지극히 높았으므로 이런 밀도가 가능했다. 하지만 현재의 우주에서는 거의 가능하지 않다. 유일한 가능성은 초신성 폭발을 일으키는 별의 경우이다. 별이 초신성 폭발을 일으킬 때 남는 별의 중심핵은 엄청난 압력으로 수축된다. 초신성 폭발 때 고밀도의 중성자별이 만들어진다는 것은 확인되었다. 중성자별은 태양 정도의 질량이 반경 10km 정도로 압축된 것이다. 천체물리학자들은 초신성 폭발 후 남는 별의 질량이 태양 질량의 3.5배를 넘으면 중성자별 대신 블랙홀이 만들어질 것으로 예측하고 있다. 우주에 블랙홀은 존재할까? 만약 블랙홀이 존재한다고 해도 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀을 어떻게 찾을 수 있을 것인가? 블랙홀이 우주 공간에 홀로 존재한다면 찾을 방법이 없다. 하지만 블랙홀이 다른 별과 쌍성을 이루고 있다면 블랙홀을 찾는 것이 가능하다. 그 과정은 이렇다. 질량이 큰 별이 먼저 초신성 폭발을 일으켜 블랙홀이 되고 난 후 동반성이 종말이 가까워져서 크게 부풀어 거성이 되면 거성표면의 물질이 블랙홀로 빨려 들어가게 된다. 블랙홀 주변으로 빨려 들어가는 물질은 블랙홀 주위를 맴돌면서 수백만 도로 가열되므로 에너지가 강한 X선이 튀어 나오게 된다. 따라서 이 X선을 관측하면 블랙홀을 발견할 수 있게 되는 것이다. 단, 이 X선은 지구 대기층에서 모두 흡수되어 지상까지 도달하지 않으므로 대기권 밖으로 나가서 관측해야 한다.

 

 

 

우리 은하계 안에 블랙홀이 있을까? 가장 유력한 후보는 백조자리 X-1이다. 이 천체는 백조자리 방향으로 6000광년 거리에 있으며 강한 X선을 방출하고 있다. 질량은 태양의 약 8.7배이고 어떤 천체보다 밀도가 높은 것으로 밝혀졌다. 이 천체는 청색초거성(HDE 226868)과 쌍성을 이루며 5.6일 주기로 서로 돌고 있는데 두 천체간의 거리는 무척 가까워서 지구와 태양간 거리의 1/5 밖에 되지 않는다. 사진은 청색초거성에서 백조자리 X-1로 물질이 빨려들어 가고 있는 모습을 그린 상상도이다.[사진_ ESA, Hubble]

블랙홀을 직접 볼 수는 없다. 블랙홀을 관측하기에 가장 좋은 천체는 블랙홀에게 점차 먹혀들어가며 가스 원반에 물질을 공급하는 역할을 하는 보통의 별과 짝을 이루고 있는 쌍성계이다. 블랙홀 주변에 있던 가스가 블랙홀의 ‘사건의 지평선’ 너머로 사라지면서 방출하는 빛은 관측이 가능하기 때문이다. 사진은 블랙홀 주위를 도는 물질의 원반을 컴퓨터 그래픽으로 나타낸 것인데 이러한 원반을 ‘강착원반’이라고 한다. 원반의 물질들은 마찰로 인해 수백만 K로 가열되어 X선을 방출한다. [사진_ A. Hobart, CXC]

전갈자리 방향으로 11,000광년 거리에 있는 GRO J1655-40는 태양 질량의 7배인 블랙홀이 태양질량의 2배인 별과 쌍성계를 이루고 있는 것으로 생각된다. 이 그림은 블랙홀의 쌍성인 별에서 물질이 끌려 나와 블랙홀 주위를 돌며 소용돌이치는 모습을 그린 상상도이다. 블랙홀 주위의 강착원반으로부터 탈출하는 물질이 요동을 치고 있고 강착원반은 초당 67회의 세차운동을 한다. 세차운동이란 회전하는 팽이의 회전축이 기울어진 채 연직축 주위로 비틀거리며 돌아가는 것이다. 가까운 거리에서 이 블랙홀을 볼 수 있다면 강착원반이 쓰러지기 직전의 팽이처럼 비틀거리는 장면을 볼 수 있을 것이다. [사진_ NASA, CXC 등]

수천억 개의 별을 거느린 은하의 중심에는 무엇이 있을까? 블랙홀 주변에서 물질이 빨려 들어갈 때 물질은 블랙홀로 직접 떨어지지 않고 나선운동을 하면서 떨어지며 강착원반을 만든다. 블랙홀 주변에 이와 같은 강착원반이 존재한다는 것이 타원은하 NGC 4261의 중심부 관측으로 확인되었다. 오른쪽 사진 가운데 가락지 모양으로 보이는 원반은 이 은하의 핵이다. 원반 가운데 보이는 밝은 점 내부에 또 다른 작은 원반이 있음이 밝혀졌다. 그 작은 원반이 강착원반이며, 그 중심에 블랙홀이 있는 것으로 믿어진다. 가스의 회전속도로 미루어 블랙홀 질량은 태양의 12억 배 정도로 추정된다. [사진_ NASA]

블랙홀이 물질을 빨아들이기만 하는 것은 아니다. 블랙홀 주위에서 고에너지 입자들이 방출되기도 한다. 이러한 에너지 분출을 제트라고 하는데 여러 은하의 중심에서 수직방향으로 아주 멀리 제트가 방출되는 것이 관찰되었다. 사진은 허블우주망원경이 M87 은하의 중심에서 고에너지 물질이 은하 크기 보다 더 먼 40~50만 광년 거리까지 분출되는 장면을 포착한 것이다. 제트는 블랙홀의 질량이 클수록 더 멀리 분출된다. M87 은하는 거대한 타원은하이며 블랙홀 질량은 태양질량의 20억 배나 될 것으로 추정된다. 이 은하는 처녀자리 방향으로 5000만 광년 거리에 있다. [사진_ NASA, The Hubble Heritage Team]

은하 중심 주변에서 나오는 X선을 관측하면 중심 블랙홀로 빨려 드는 가스량과 은하를 둘러싼 고온 거품을 만드는데 필요한 에너지량을 추산할 수 있다. 사진은 NGC 4696 은하의 중심과 주위의 고온거품이다. 이 고온거품은 블랙홀에서 방출되는 초고속 제트에 의해서 만들어진 것이다. 사진은 여러 가지 망원경으로 관측한 것을 합성한 것으로 붉은색은 X선(찬드라), 푸른색은 전파(VLA), 초록색은 적외선 망원경으로 관측한 것이다. X선 관측에 의하면 중심으로 빨려 들어가는 가스에서 나오는 에너지는 대부분 제트로 전환되어 빠져 나오는 것으로 추정된다. 이 은하는 켄타우루스자리 방향으로 1.5억 광년 거리에 있다. [사진_ NASA 등]

블랙홀은 거대한 타원은하의 중심에만 있는 것은 아니다. 천문학자들은 나선은하의 중심에도 블랙홀이 있을 것으로 믿고 있다. 사진은 큰곰자리 방향에 있는 나선은하 M81을 여러 망원경으로 촬영하여 합성한 것이다. 푸른색(X선)은 찬드라 망원경, 분홍색(적외선)은 스피처 망원경, 보라색(자외선)은 갈렉스 위성, 그리고 초록색(가시광선)은 허블 망원경으로 촬영한 것이다. 오른쪽 작은 사진은 블랙홀이 있을 것으로 믿어지는 이 은하의 중심부를 찬드라 X선 망원경으로 촬영한 것이다. 이 은하는 보통 나선은하에 비해 특히 크고  밝은 핵을 가지고 있는데 중심블랙홀의 질량은 태양질량의 7000만 배나 될 것으로 추측되고 있다. [사진_ NASA 등]

블랙홀은 어둡지만 강착원반을 가진 초대질량 블랙홀 주위는 사실 어둡지 않다. 활동적인 핵을 가진 은하(활동은하)의 중심에는 최소한 태양질량의 수천 배가 넘는 초대질량 블랙홀이 있을 것으로 예상되는데 이런 은하 중에는 어두운 것과 밝은 것이 있다. 예를 들어 가시광 영역에서 어떤 은하(세이퍼트 I형)는 매우 밝지만 어떤 은하(세이퍼트 II형)는 어둡다. 이것은 블랙홀 주위에 물질이 강착되어 있는 정도의 차이로 보인다. 사진은 어두운 활동은하인 NGC 4388의 모식도이다. 중심에 있는 블랙홀이 도넛 모양으로 생긴 두꺼운 분자가스와 먼지에 가려져있다. [사진_ V. Beckmann, NASA, ESA]

활동적인 은하 3C75의 중심에선 무슨 일이 벌어지고 있을까? x-선(푸른색)과 전파(분홍색)로 관측한 이 은하의 중심에는 밝은 두 개의 점이 보이는데 이들은 초대질량 블랙홀들이다. 이들은 25000 광년 떨어진 상태에서 서로를 향해 공전하고 있다. 이 은하는 3억 광년 거리에 있으며 두 개의 은하가 합쳐지는 과정에 있는 것으로 보인다. 그리고 결국 두 블랙홀도 서로 합쳐져 더욱 거대한 블랙홀이 될 것이다. [사진_ ESO]

우리 은하계의 중심에도 거대블랙홀이 있을까? 전파관측으로 궁수자리 방향으로 28000광년 거리에 강한 전파를 방출하는 궁수자리 A가 있음이 확인되었는데 여러 가지 증거로 미루어 이곳에 블랙홀이 있을 것으로 추정되고 있다. 사진은 과학자들이 16년 동안 은하계 중심 근처에 있는 28개 별들의 운동을 관측한 것이다. 중심 주위의 별들의 운동속도를 알면 은하계의 중심블랙홀의 질량을 추정할 수 있다. 현재 은하계 중심블랙홀의 질량은 태양질량의 400만 배 정도로 추정되고  있다. [사진_ ESO]