블랙홀이 어떻게 형성되는지, 그것이 무엇인지, 그리고 우주에 대해 무엇을 드러내는지

NASA에 따르면, 블랙홀은 중력이 강한 우주 공간의 영역으로 정의되며, 사건의 지평선이라는 경계를 넘으면 빛을 포함한 어떤 것도 탈출할 수 없습니다. 빛이 탈출할 수 없으므로 블랙홀 자체는 직접 관찰할 수 없습니다. 그 존재는 주변 물질에 대한 중력의 영향으로부터 추론되며, 2019년 이래 그 주위의 밝은 물질의 직접 이미지로부터도 알 수 있습니다.

블랙홀이 어떻게 형성되는가

NASA에 따르면, 별은 그 핵에서의 핵융합을 통해 에너지를 생성하고, 그 에너지로부터의 외향 압력이 별 자신의 중력으로부터의 내향 당김을 균형 맞춥니다. 태양 질량의 20배 이상인 별이 핵연료를 다 쓰면 그 균형이 깨집니다. 핵은 자신의 무게로 붕괴하면서 별의 외층을 날려버리는 초신성 폭발을 일으킵니다. 남아있는 핵이 약 3태양질량을 초과하면 NASA는 그것이 항성질량 블랙홀로 계속 붕괴된다고 말합니다.

모든 붕괴하는 별이 블랙홀을 생성하는 것은 아닙니다. NASA의 항성 진화 설명에 따르면, 약 3태양질량 이하의 핵은 일반적으로 대신 중성자별이 됩니다. 블랙홀이 한 번 존재하면, 가스, 먼지, 심지어 너무 가까워진 다른 별이나 블랙홀을 끌어당겨 더 성장할 수 있습니다.

3가지 주요 유형

NASA는 블랙홀을 질량에 따라 3가지 광범위한 범주로 분류합니다. 항성질량 블랙홀은 약 3에서 수십 태양질량 범위이며 은하계 전체에 흩어져 있고 붕괴된 거대한 별에서 형성됩니다. 중간질량 블랙홀은 약 100에서 10,000 이상 태양질량이며 더 희귀하고 확인하기 어렵고, NASA는 2019년에 식별된 가장 설득력 있는 예 중 하나를 인용합니다. 초대질량 블랙홀은 100,000에서 수십억 태양질량을 포함하며 은하계를 포함한 대부분의 큰 은하의 중심에 있습니다.

보이지 않는 것을 보기: 직접 이미지

빛이 블랙홀에서 탈출할 수 없으므로 천문학자들은 그 물체 자체를 촬영할 수 없습니다. 대신, 사건의 지평선 망원경(EHT)—미국 과학재단(NSF)에 따르면 지구 크기의 장비로 기능하는 전 지구적 전파망원경 네트워크—는 블랙홀의 사건의 지평선 바로 바깥에서 소용돌이치는 밝은 가스를 이미지화합니다. 2019년 4월 10일, EHT 협력에 의해 은하 M87 중심의 초대질량 블랙홀의 첫 번째 그러한 이미지가 발표되었습니다. 지구로부터 약 5,500만 광년 떨어져 있으며 NSF 요약에 따르면 약 65억 태양질량으로 측정됩니다.

2022년 5월 12일, EHT 협력에 의해 우리 은하계의 중심에 있는 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A*의 두 번째 이미지가 발표되었습니다. NSF는 그것을 그 물체의 첫 직접 시각적 증거로 설명하며, NSF가 제공하는 질량은 태양 질량의 약 400만 배입니다. cosmoquest.org의 조사 결과 요약도 유사하게 그 질량을 약 400만 태양질량으로, 지구로부터의 거리를 약 27,000 광년으로 기재합니다. 두 이미지 모두 동일한 특징을 보여줍니다: 극도로 가열된 궤도 가스로부터의 밝고 렌즈 효과를 받은 빛에 둘러싸인 어두운 중앙 그림자.

시공간의 파동: 중력파

또 다른 증거 라인은 중력파—알베르트 아인슈타인이 1915년에 그의 일반상대성이론으로 예측한 시공간의 파동—에서 나옵니다. 2015년 9월 14일, 워싱턴 주 핸포드와 루이지애나 주 리빙스턴의 쌍둥이 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 감지기가 LIGO 과학 요약에 따르면 GW150914로 지정된 신호를 기록했습니다. 그 신호는 태양 질량의 약 36배와 약 29배의 질량을 가진 2개의 블랙홀의 병합에서 나왔으며, 이는 약 62 태양질량의 단일 블랙홀로 병합되었습니다. LIGO에 따르면, 부족한 3 태양질량은 10억 광년 이상 떨어진 사건에서 중력파 에너지로 방사되었습니다.

LIGO는 그 감지가 5시그마 이상의 통계적 유의성에 도달했다고 보고합니다. 이는 그 강도의 거짓 경보가 비교 가능한 데이터의 약 200,000년에 한 번만 예상될 것임을 의미합니다. 관찰된 파형은 일반상대성이론의 예측과 일치하며, 물리학자들에게 빛에 전혀 의존하지 않는 블랙홀 연구의 새로운 방법을 제공했습니다.

블랙홀이 우주에 대해 드러내는 것

NASA의 블랙홀 해부학 설명은 3가지 주요 영역을 식별합니다: 탈출 속도가 빛의 속도를 초과하는 진입 불가능한 지점인 사건의 지평선. 천문학자들이 보이지 않는 블랙홀을 감지할 수 있게 해주는 방사선을 방출하는 강착원판. 그리고 핵의 특이점—물질이 극단적인 밀도로 압축되는 곳이며 일반상대성이론을 포함한 현재의 물리학이 작동할 것으로 예상되지 않습니다. NASA는 이것이 양자 효과가 중요해질 것으로 생각되는 장소임을 지적하며, 블랙홀이 상대성이론과 양자역학이 결국 만나야 하는 경계를 표시함을 의미합니다.

빛을 휘게 하고, 시간을 왜곡하고, 은하의 구조를 고정하므로 블랙홀은 자연 실험실로 기능합니다. 직접 이미징과 중력파 감지기로부터의 관찰은 과학자들에게 중력이 우주에서 알려진 가장 극단적인 조건 아래에서 아인슈타인의 이론이 예측하는 대로 작동하는지 여부를 테스트할 수 있는 2가지 독립적인 방법을 제공합니다.