블랙홀 설명: 형성 방식, 외형 및 존재 증명

블랙홀은 중력이 충분히 강해서 특정 경계를 넘으면 빛도 탈출할 수 없는 우주 영역이다. 그 경계를 사건 지평선이라고 하며, NASA는 이를 탈출에 필요한 속도가 빛의 속도를 초과하는 지점이라고 설명한다.

블랙홀의 형성 방식

가장 일반적인 경로는 거대한 별의 죽음이다. NASA에 따르면 20태양질량 이상의 별이 핵에 있는 핵연료를 고갈시키면 자신의 무게로 붕괴한다. 붕괴하는 핵이 약 3태양질량을 초과하면 알려진 힘이 붕괴를 막을 수 없으며, 블랙홀이 형성된다.

거대한 은하의 중심에 위치하고 10만에서 수십억 태양질량의 무게를 가진 초거대 블랙홀은 별의 붕괴만으로는 설명하기 어렵다. NASA는 초거대 블랙홀의 기원이 잘 이해되지 않고 있다고 밝혔지만, 이들이 은하의 가장 초기 단계부터 존재해왔다는 것으로 알려져 있다.

블랙홀은 또한 강착이라는 과정을 통해 주변의 가스와 먼지를 끌어당기고 다른 블랙홀과 합병함으로써 형성 후에 성장한다.

블랙홀의 구조

블랙홀의 해부학에 대한 NASA의 설명은 여러 개의 구별되는 부분을 나열한다. 특이점은 중심의 이론적 지점으로, 일반상대성이론에 따르면 물질이 무한 밀도로 압축된다. 그것을 둘러싼 것은 사건 지평선으로, 귀환 불가능한 지점이다.

더 바깥쪽에서 떨어지는 가스와 먼지는 강착원판을 형성하며, 이는 내부로 소용돌이칠 때 가열되는 회전 구조로, 천문학자들이 블랙홀을 감지하는 주요 방법 중 하나이다. 블랙홀 근처에서 빛은 탈출하기 전에 여러 번 궤도를 그릴 수 있으며, 광자구로 알려진 얇고 왜곡된 고리를 생성한다. 일부 블랙홀은 또한 원판 위에 10억 도의 코로나 입자를 생성하고, 빛의 속도에 거의 가까운 속도로 물질을 외부로 발사하는 제트기의 쌍을 생성하며, NASA에 따르면 초거대 블랙홀의 제트는 수십만 광년까지 확장된다.

블랙홀의 종류

천문학자들은 블랙홀을 질량으로 분류한다. 항성질량 블랙홀은 약 3개에서 수십 개의 태양질량 범위이며 은하수와 같은 은하 전체에 흩어져 있다. 초거대 블랙홀은 거대 은하의 중심을 고정하고 10만에서 수십억 태양질량의 무게를 가진다. NASA는 메시에 87 은하의 중심에 있는 것이 6십억 태양질량 이상의 무게를 가진다고 밝혔다. 중간질량 블랙홀은 100에서 1만 이상의 태양질량 범위이며 확인된 예가 거의 없다. NASA는 2019년 합병 이벤트 GW190521을 지칭하며, 이는 142 태양질량의 블랙홀을 생성했으며 이 범주의 가장 설득력 있는 예이다.

과학자들이 블랙홀이 실제로 존재함을 증명한 방법

블랙홀의 직접적인 이미지는 사건 지평선 내부에서 빛이 탈출하지 않으므로 일반적인 의미에서는 불가능하다. 대신, 연구자들은 간접적인 영향을 찾고, 지난 10년간의 두 가지 획기적인 결과는 블랙홀을 이론적 예측에서 관찰된 현실로 바꾸었다.

첫 번째는 2015년 9월 14일에 나왔으며, Physics World의 발견 보도에 따르면 미국의 쌍둥이 Advanced LIGO 검출기가 나중에 GW150914로 명명된 중력파 신호를 감지했다. 신호는 태양의 36배와 29배의 질량을 가진 2개의 블랙홀이 약 13억 광년 떨어진 곳에서 62 태양질량의 단일 회전 블랙홀로 합병되었다는 데서 나왔다. 3 태양질량과 같은 차이는 중력파로 방사되었다. 검출은 5.1 시그마 이상의 통계적 유의성으로 측정되었으며, 특히 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 예측된 대로 중력파가 빛의 속도로 이동한다는 것을 확인했다.

두 번째 획기적인 순간은 2019년 4월 10일에 나왔으며, MIT News에 따르면 Event Horizon Telescope 협력이 블랙홀의 실루엣의 첫 번째 이미지를 발표했다. 대상은 M87의 중심에 있는 초거대 블랙홀로, 지구로부터 5500만 광년 떨어져 있으며, 65억 태양 질량이고 약 400억 킬로미터의 사건 지평선을 가지고 있다. 하와이와 애리조나에서 멕시코, 스페인, 칠레, 남극에 이르는 8개의 지상 라디오 망원경이 단일 가상 기구로 함께 작동하여 어두운 중앙 '그림자'를 둘러싼 밝은 빛나는 가스 고리를 보여주는 이미지를 캡처했다.

MIT News에 따르면 13개의 파트너 기관에서 200명 이상의 연구자가 2019년 결과에 기여했으며, 관찰된 그림자는 일반상대성이론의 예측과 일치했다.

주변 공간에 대한 중력 효과

블랙홀 근처에서 떨어지는 물질은 강착원판으로 소용돌이치며, NASA는 이를 '뜨겁고 밝고 빠르게 회전하는 원판'이라고 설명하며, 블랙홀 자체는 빛을 방출하지 않지만 천문학자들이 블랙홀을 감지하는 주요 방법 중 하나이다. 이와 동일한 중력 효과는 근처를 지나가는 빛의 경로를 굽히며, 이는 EHT 이미지에서 보이는 단순한 어두운 원이 아닌 빛나는 고리를 생성한다.

자주 묻는 질문