블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛을 포함한 아무것도 사건지평선을 넘으면 탈출할 수 없는 시공간 영역입니다. 천문학자들은 블랙홀을 직접 볼 수 없으므로 강착 원판, 공전하는 별, 중력파라고 불리는 파동 등을 통해 근처의 물질, 빛, 시공간에 미치는 영향으로부터 그 존재를 추론합니다. 2015년 LIGO 중력파 탐지와 2019년 사건지평선망원경의 M87 이미지라는 두 가지 획기적인 관측을 통해 이 개념은 이론에서 직접적인 증거로 변했습니다.
블랙홀은 여러 방법으로 형성되며, 천문학자들은 단일의 기원 이야기보다는 질량을 기반으로 크기 클래스로 분류합니다.
블랙홀은 어떻게 형성되는가
가장 잘 이해되는 경로는 별의 죽음입니다. NASA의 「Imagine the Universe」 프로젝트에 따르면, 항성질량 블랙홀은 거대한 별이 핵연료를 다 써버리고 그 핵이 자체 중력으로 붕괴할 때 형성되며, 이 과정은 초신성 폭발을 동반할 수 있습니다. NASA는 이러한 항성질량 블랙홀들이 일반적으로 태양 질량의 약 5배에서 20배를 가지며 거대한 별이 살다가 죽은 은하 전역에 흩어져 있다고 밝혔습니다.
스케일의 다른 한편에는 초대질량 블랙홀이 있으며, 거의 모든 큰 은하의 중심에서 발견되며, 질량은 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 이릅니다(NASA). 이러한 거대한 블랙홀이 어떻게 형성되고 성장하는지는 NASA에 따르면 활발한 연구 분야이지만, 관측에 따르면 은하의 중심 블랙홀의 크기와 은하 자체의 크기 사이에 상관관계가 있음을 보여줍니다.
NASA는 또한 항성질량과 초대질량 사이의 질량을 가진 제안된 중간질량 클래스에 대해서도 설명합니다. 해당 기관은 천문학자들이 최근에 중간질량 블랙홀의 가능한 증거를 찾기 시작했다고 언급하며, 이전에는 많은 후보 천체들이 다른 물리적 과정으로 설명되는 것으로 판명되었다고 밝혔습니다.
빛을 방출하지 않는 것을 천문학자들이 어떻게 탐지하는가
블랙홀 자체는 빛을 방출하지 않으므로 볼 수 없습니다. NASA의 「Imagine the Universe」 페이지는 천문학자들이 대신 간접 탐지에 의존한다고 설명하며, 매우 크고 밀도가 높으며 보이지 않는 질량의 존재로만 설명할 수 있는 근처 물체의 행동을 찾습니다. 여기에는 끌려들어가 가열되어 빛나는 강착 원판으로 흘러들어가는 물질이나 별이 보이지 않는 지점 주변을 공전하는 가시적인 별이 포함됩니다.
그 간접적 증거를 이미지화하는 한 가지 방법은 전파 간섭법입니다. 사건지평선망원경(EHT)은 초장기선 간섭법(VLBI)이라는 기법을 사용하여 지구 전역의 전파 관측소를 연결하며, 물리 아웃리치 사이트 Einstein-Online에서 설명한 대로 여러 망원경의 동시 관측을 지구 크기의 단일 망원경과 동등한 데이터로 결합합니다. 블랙홀 자체는 직접 나타나지 않습니다. EHT가 기록하는 것은 강착 원판의 뜨겁고 소용돌이치는 가스로부터의 전파 방출이며, 극한의 중력 아래에서 빛이 물체 주변을 휜 곳에서 생성되는 어두운 중앙 영역—블랙홀의 "그림자"—입니다.
첫 이미지: M87
2019년 4월 10일, EHT 협력은 이러한 방식으로 구축된 최초의 이미지를 공개하여 은하 M87의 중심에 있는 초대질량 블랙홀을 보여주었습니다. 은하 M87은 지구로부터 약 5500만 광년 떨어져 있으며 MIT News가 보도했습니다. MIT News는 이 천체의 질량을 태양의 약 65억 배로 보도했으며, 이미지화된 사건지평선은 약 400억 킬로미터를 약간 넘습니다. 관측 캠페인은 8개의 지상 전파 관측소를 결합했으며 전 세계 200명 이상의 연구자가 참여했습니다.
블랙홀 듣기: 중력파
다른 탐지 방법은 빛을 전혀 사용하지 않습니다. 2015년 9월 14일 오전 5시 51분(EDT)에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 아인슈타인의 일반상대성이론으로 예측된 시공간의 파동인 중력파를 처음으로 직접 탐지했습니다(MIT News). 신호는 각각 태양 질량의 약 30배인 두 개의 블랙홀로부터 왔으며 대략 13억 광년 떨어진 곳에서 병합되었습니다. 충돌은 태양 약 3개 질량에 해당하는 에너지를 중력파로 변환했으며 짧은 시간 동안 가시 우주의 모든 빛보다 더 많은 전력을 방사했습니다(MIT 보도). 루이지애나와 워싱턴 주의 LIGO 쌍둥이 4킬로미터 레이저 검출기는 신호를 등록하기 위해 양성자 지름의 1만분의 1보다 작은 팔 길이의 변화를 측정했습니다.
이후 LIGO는 이탈리아의 Virgo 검출기와 일본의 KAGRA에 참여하여 LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 협력을 형성했습니다. Caltech가 보도한 바에 따르면 2015년 이후 약 300개의 블랙홀 병합을 기록했으며, 네 번째 관측 실행만으로도 200개 이상을 포함했습니다. 2023년 11월, 협력은 중력파로 기록된 가장 거대한 블랙홀 병합을 관측했으며, 이 사건은 GW231123으로 지정되었으며, 약 100과 140 태양질량의 천체가 약 225 태양질량의 블랙홀로 병합되었다고 Caltech가 보도했습니다.
한눈에 보는 주요 사실
블랙홀 클래스와 그들이 탐지된 방식
클래스 / 이벤트
질량 (태양질량)
탐지 방법
항성질량 블랙홀
~5–20
간접: 공전 물질/별에 미치는 영향 (NASA)
중간질량 (제안)
NASA에 의해 정확히 정의되지 않음; 확인된 후보 몇 개
간접, 제한된 확인 후보 (NASA)
초대질량 블랙홀
수백만에서 수십억
간접; M87*과 궁수자리 A*에서만 직접 이미지화됨 (NASA/EHT)
M87* (처음 이미지화, 2019)
~65억
전파 VLBI 이미징, 사건지평선망원경
GW150914 병합 (2015)
~30 + ~30 → 최종 블랙홀
중력파 간섭법, LIGO
GW231123 병합 (2023)
~100 + ~140 → ~225 최종
중력파 간섭법, LIGO-Virgo-KAGRA
이렇게 거대한 블랙홀은 표준 항성 진화 모델을 통해서는 금지됩니다.
— Mark Hannam, Cardiff University, GW231123 병합에 대해 Caltech에서 인용
종합하면, 두 가지 방법—전파 간섭법으로 블랙홀 주변의 발광 물질을 이미지화하고, 두 블랙홀이 함께 나선형으로 움직이는 중력파 '칩'을 청취하는 것—은 블랙홀 자체가 직접 볼 수 있는 어떤 것도 방출하지 않음에도 불구하고 천문학자들에게 어떤 천체가 블랙홀임을 확인하고 그 질량을 측정할 수 있는 독립적이고 보완적인 방법을 제공합니다.
자주 묻는 질문
우리가 실제로 블랙홀을 볼 수 있습니까?
아니요—블랙홀 자체는 빛을 방출하지 않습니다. 사건지평선망원경과 같은 망원경이 기록하는 것은 그 주변에서 소용돌이치는 뜨거운 가스(강착 원판)로부터의 전파 방출이며, 블랙홀이 빛을 차단하고 휘게 되는 어두운 '그림자'가 있습니다(Einstein-Online과 NASA).
블랙홀은 어떻게 형성됩니까?
항성질량 블랙홀은 거대한 별이 연료를 다 써버리고 그 핵이 붕괴할 때 형성되며, 때로 초신성을 동반합니다(NASA). 은하 중심의 초대질량 블랙홀이 어떻게 형성되는지는 NASA에 따르면 여전히 활발한 연구 분야입니다.
블랙홀의 첫 직접 이미지는 무엇입니까?
2019년 4월 10일, 사건지평선망원경 협력은 은하 M87의 초대질량 블랙홀 이미지를 공개했습니다. 은하 M87은 지구로부터 약 5500만 광년 떨어져 있으며, 8개의 관측소에서 수집한 전파 데이터로부터 구축되었습니다(MIT News 보도).
중력파란 무엇이고 블랙홀과 어떤 관련이 있습니까?
중력파는 아인슈타인의 일반상대성이론으로 예측된 시공간의 파동입니다. LIGO는 2015년 9월 14일에 처음 직접 탐지했으며, 각각 약 30 태양질량인 두 개의 병합 블랙홀로부터 약 13억 광년 떨어진 곳으로부터 신호가 왔습니다(MIT News).
블랙홀은 얼마나 클 수 있습니까?
항성질량 블랙홀은 일반적으로 태양의 5–20배 질량입니다(NASA). 한편 초대질량 블랙홀은 태양질량의 수백만 배에서 수십억 배입니다. 2019년에 이미지화된 M87 블랙홀은 약 65억 배의 태양 질량을 가집니다(MIT News).
별은 중력이 찬 가스와 먼지의 구름을 압축하여 중심이 약 1000만 켈빈에 도달할 때까지 형성되며, 이는 수소 융합을 시작하기에 충분한 온도입니다. 거기서 별의 질량이 다른 모든 것을 결정합니다: 얼마나 오래 빛나는지, 어떻게 죽는지, 그리고 백색 왜성, 중성자별, 또는 블랙홀 중 어느 것을 남기는지 결정합니다.
로켓은 한 방향으로 배기 가스를 배출하여 뉴턴의 제3법칙에 따라 차량이 반대 방향으로 밀려나는 방식으로 작동합니다. 추력은 초당 흐르는 배기 질량의 양과 노즐에서 배기가 나가는 속도에 따라 달라지며, 궤도에 머물기 위해서는 전진 속도와 중력의 끌어당김을 균형잡아야 합니다. 다단계 설계와 일부 임무의 경우 전기 추진을 사용하여 우주 비행에 필요한 막대한 양의 추진제를 관리합니다.
우주비행사 훈련은 교육, 경험 및 신체적 체력에 대한 선발 심사로 시작되는 다년간의 프로세스이며, 비행 전에 수년간의 지상 훈련으로 진행됩니다. NASA와 유럽우주국(ESA)에 따르면, 지원자들은 우주선 시스템을 배우고 수중에서 선외활동을 연습하며, ESA 지원자들은 러시아어도 공부합니다. 한편, 국제우주정거장(ISS)에서의 생활은 업무, 운동 및 수면의 고정된 일일 일정에 따라 진행됩니다.
블랙홀은 중력이 매우 강한 우주 공간의 영역으로, 사건의 지평선을 넘으면 빛도 탈출할 수 없습니다. 대부분은 거대한 별이 핵연료를 다 쓰고 그 핵이 붕괴할 때 형성됩니다. 은하 중심의 초대질량 블랙홀은 수십억 년에 걸쳐 성장합니다. 직접 이미지와 중력파 감지로 그 존재가 확인되었고, 아인슈타인의 일반상대성이론이 검증되었습니다.
