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KISTI 과학향기 제1744호

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블랙홀 - 탄생에서 죽음까지

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블랙홀은 우주에서 가장 이상한 존재이죠. 요상한 블랙홀은 어떻게 만들어질까요? 어디에서 왔을까요? 만약 여기에 빨려들어 가기라도 한다면? 별은 엄청난 양의 대부분은 수소로 이루어진 먼지 가스가 중력으로 뭉쳐 만들어집니다.

별의 핵에선, 핵융합으로 수소가 헬륨으로 변하며 엄청난 양의 에너지를 내고 있죠. 방출되는 에너지는 중력에 맞서며 수축과 폭발의 불안한 균형을 유지합니다. 핵융합이 계속되는 한, 별은 제 모습을 유지합니다.

하지만 우리 태양보다 훨씬 무거운 별이라면, 중력으로 인한 열과 압력으로 더욱 무거운 원소를 만듭니다. 철이 만들어지기 전까진 말이죠. 철을 만드는 과정은 에너지를 전혀 내지 않습니다.

철은 핵에 쌓이기 시작하고, 무게가 한계에 다다르면 수축과 폭발의 균형은 깨집니다. 별의 핵이 오그라들죠. 찰나의 순간에, 빛의 반에 반의 속도로 별은 중심을 향해 쪼그라듭니다. 중심핵에 더 많은 질량을 축적하게 되죠.

별이 초신성 폭발을 일으키는 이 순간에, 철보다 무거운 원소들이 우주에 생겨납니다. 여기서 중성자별이 생기거나, 혹은 더 무겁다면 중심핵이 붕괴하며 블랙홀이 만들어지죠. 사실 우리 눈에 보이는 블랙홀은 사건의 지평선 부분입니다. 여기를 넘어서는 순간, 빛보다 빠른 속도가 아니고선 빠져나올 수 없습니다.

다르게 말하면 영원히 나올 수 없다는 뜻이죠. 그래서 아무것도 반사하지않는 검은 공모양을 보게되는 겁니다. 그럼 검은 구멍에서 검은게 사건의 지평선이라면, 구멍은 뭘까요? 바로 특이점입니다.

특이점은 저도 잘 모릅니다. 모든 질량이 한 점에 집중된, 부피도 없고 밀도가 무한대인 그런 것이죠. 아니면 전혀 다른 뭔가 거나요. 아직은 아무도 모릅니다. 마치 0으로 나누기를 하는 꼴이죠.

블랙홀이라고 닥치는 대로 빨아대지는 않습니다. 만약 태양을 같은 질량의 블랙홀로 바꾼다 해도 지구는 그래도 계속 돕니다. 얼어죽는 것만 빼면요.

만약 블랙홀에 뛰어든다면? 블랙홀 근처에선 시간이 이상하게 흐릅니다. 구경꾼이 보기엔, 여러분이 블랙홀에 다가갈수록 속도가 느려지는 것처럼 보입니다. 여러분의 시간이 느리게 가기 때문입니다. 결국 시간이 멈춰버리고 점점 붉어지다 사라져 버립니다.

그치만 빨려들어가는 당신이 본 우주는 마치 미래를 보는 것처럼 엄청난 속도로 시간이 흐릅니다. 이 다음은 저도 모릅니다. 그치만 두 가지는 확실하죠. 하나, 그냥 빨리 죽기. 블랙홀은 공간을 구부러트리므로 사건의 지평선을 넘게 되면 딱 한 곳으로만 갈 수 있죠. 사건의 지평선 안에선 진짜로 한 방향으로만 갈 수 있습니다.

한 발자국 내딛을 때마다 닫혀버리는 함정 같습니다. 블랙홀은 모든 무게가 한 점에 집중되어 있어서 발 끝과 머리 끝같이 약간만 떨어진 지점도 수백만 배 차이가 나는 중력이 걸립니다.몸이 엿가락처럼 늘어나고 세포마저 찢어지다 아주 가느다란 플라즈마가 되고서야 멈춥니다.

둘, 아주빨리죽기! 사건의 지평선을 넘자마자, 여러분은 불벼락을 맞고 순식간에 갈려나갈 겁니다. 이래 죽으나 저래 죽으나 곱게 죽긴 글렀네요. 어떻게 죽을 지는 블랙홀의 질량에 달렸습니다.

작은 블랙홀은 지평선까지 살아서 도착하기도 힘듭니다. 반대로 초거대 블랙홀이라면 지평선 안쪽을 구경해 볼 수도 있죠. 반대로 초거대 블랙홀이라면 지평선 안쪽을 구경해 볼 수도 있죠. 대충, 특이점에서 멀수록 살기 좋은 곳입니다.

블랙홀은 크기가 다양합니다. 태양보다 조금 큰 별 무게의 블랙홀은 소행성 정도의 크깁니다. 초거대 블랙홀이란 것도 있죠. 모든 은하의 중심에서 볼 수 있습니다. 수십억 년 동안 존재했죠.

현재까지 가장 큰 블랙홀은 S5 0014+81입니다. 태양 무게의 사백억 배죠. 지름은 2367억 킬로미터로, 태양-명왕성 거리의 47배 정도죠. 강력한 블랙홀일수록 호킹복사라는 현상 때문에더 빠르게 증발합니다.

호킹복사를 이해하자면, 우선 빈 공간이 있을 때, 진짜로 비어있진 않고 속엔 가상의 입자들이 있습니다. 이들은 짝지어 갑자기 나타났다 짝지어 사라져 버리죠. 만약 블랙홀의 경계에서 가상 입자가 나타나면 입자 중 하나는 블랙홀에 빨려들어가고. 나머지 하나만 물질이 되죠.

이런 식으로 블랙홀은 에너지를 잃게 됩니다. 블랙홀의 증발은 처음엔 어마어마하게 느리다 블랙홀이 작아질수록 빨라집니다. 결국 소행성 무게정도가 되면 미지근한 열을 내다 산 만한 무게가 되면 태양 정도의 열을 내고 마지막 순간엔 핵폭탄 수십억 배의 폭발로 끝납니다.

그치만 이 현상은 믿기힘들정도로 느립니다. 가장 큰 블랙홀은 증발하는 데에만 구골년 정도 걸릴 겁니다. 그래서 마지막 블랙홀이 증발하는 걸 볼 사람은 없을 겁니다. 그때쯤이면 우주도 죽은 지 오래니까요.
기사
블랙홀은 우주에서 가장 이상한 존재이죠. 요상한 블랙홀은 어떻게 만들어질까요? 어디에서 왔을까요? 만약 여기에 빨려들어 가기라도 한다면? 별은 엄청난 양의 대부분은 수소로 이루어진 먼지 가스가 중력으로 뭉쳐 만들어집니다.

별의 핵에선, 핵융합으로 수소가 헬륨으로 변하며 엄청난 양의 에너지를 내고 있죠. 방출되는 에너지는 중력에 맞서며 수축과 폭발의 불안한 균형을 유지합니다. 핵융합이 계속되는 한, 별은 제 모습을 유지합니다.

하지만 우리 태양보다 훨씬 무거운 별이라면, 중력으로 인한 열과 압력으로 더욱 무거운 원소를 만듭니다. 철이 만들어지기 전까진 말이죠. 철을 만드는 과정은 에너지를 전혀 내지 않습니다.

철은 핵에 쌓이기 시작하고, 무게가 한계에 다다르면 수축과 폭발의 균형은 깨집니다. 별의 핵이 오그라들죠. 찰나의 순간에, 빛의 반에 반의 속도로 별은 중심을 향해 쪼그라듭니다. 중심핵에 더 많은 질량을 축적하게 되죠.

별이 초신성 폭발을 일으키는 이 순간에, 철보다 무거운 원소들이 우주에 생겨납니다. 여기서 중성자별이 생기거나, 혹은 더 무겁다면 중심핵이 붕괴하며 블랙홀이 만들어지죠. 사실 우리 눈에 보이는 블랙홀은 사건의 지평선 부분입니다. 여기를 넘어서는 순간, 빛보다 빠른 속도가 아니고선 빠져나올 수 없습니다.

다르게 말하면 영원히 나올 수 없다는 뜻이죠. 그래서 아무것도 반사하지않는 검은 공모양을 보게되는 겁니다. 그럼 검은 구멍에서 검은게 사건의 지평선이라면, 구멍은 뭘까요? 바로 특이점입니다.

특이점은 저도 잘 모릅니다. 모든 질량이 한 점에 집중된, 부피도 없고 밀도가 무한대인 그런 것이죠. 아니면 전혀 다른 뭔가 거나요. 아직은 아무도 모릅니다. 마치 0으로 나누기를 하는 꼴이죠.

블랙홀이라고 닥치는 대로 빨아대지는 않습니다. 만약 태양을 같은 질량의 블랙홀로 바꾼다 해도 지구는 그래도 계속 돕니다. 얼어죽는 것만 빼면요.

만약 블랙홀에 뛰어든다면? 블랙홀 근처에선 시간이 이상하게 흐릅니다. 구경꾼이 보기엔, 여러분이 블랙홀에 다가갈수록 속도가 느려지는 것처럼 보입니다. 여러분의 시간이 느리게 가기 때문입니다. 결국 시간이 멈춰버리고 점점 붉어지다 사라져 버립니다.

그치만 빨려들어가는 당신이 본 우주는 마치 미래를 보는 것처럼 엄청난 속도로 시간이 흐릅니다. 이 다음은 저도 모릅니다. 그치만 두 가지는 확실하죠. 하나, 그냥 빨리 죽기. 블랙홀은 공간을 구부러트리므로 사건의 지평선을 넘게 되면 딱 한 곳으로만 갈 수 있죠. 사건의 지평선 안에선 진짜로 한 방향으로만 갈 수 있습니다.

한 발자국 내딛을 때마다 닫혀버리는 함정 같습니다. 블랙홀은 모든 무게가 한 점에 집중되어 있어서 발 끝과 머리 끝같이 약간만 떨어진 지점도 수백만 배 차이가 나는 중력이 걸립니다.몸이 엿가락처럼 늘어나고 세포마저 찢어지다 아주 가느다란 플라즈마가 되고서야 멈춥니다.

둘, 아주빨리죽기! 사건의 지평선을 넘자마자, 여러분은 불벼락을 맞고 순식간에 갈려나갈 겁니다. 이래 죽으나 저래 죽으나 곱게 죽긴 글렀네요. 어떻게 죽을 지는 블랙홀의 질량에 달렸습니다.

작은 블랙홀은 지평선까지 살아서 도착하기도 힘듭니다. 반대로 초거대 블랙홀이라면 지평선 안쪽을 구경해 볼 수도 있죠. 반대로 초거대 블랙홀이라면 지평선 안쪽을 구경해 볼 수도 있죠. 대충, 특이점에서 멀수록 살기 좋은 곳입니다.

블랙홀은 크기가 다양합니다. 태양보다 조금 큰 별 무게의 블랙홀은 소행성 정도의 크깁니다. 초거대 블랙홀이란 것도 있죠. 모든 은하의 중심에서 볼 수 있습니다. 수십억 년 동안 존재했죠.

현재까지 가장 큰 블랙홀은 S5 0014+81입니다. 태양 무게의 사백억 배죠. 지름은 2367억 킬로미터로, 태양-명왕성 거리의 47배 정도죠. 강력한 블랙홀일수록 호킹복사라는 현상 때문에더 빠르게 증발합니다.

호킹복사를 이해하자면, 우선 빈 공간이 있을 때, 진짜로 비어있진 않고 속엔 가상의 입자들이 있습니다. 이들은 짝지어 갑자기 나타났다 짝지어 사라져 버리죠. 만약 블랙홀의 경계에서 가상 입자가 나타나면 입자 중 하나는 블랙홀에 빨려들어가고. 나머지 하나만 물질이 되죠.

이런 식으로 블랙홀은 에너지를 잃게 됩니다. 블랙홀의 증발은 처음엔 어마어마하게 느리다 블랙홀이 작아질수록 빨라집니다. 결국 소행성 무게정도가 되면 미지근한 열을 내다 산 만한 무게가 되면 태양 정도의 열을 내고 마지막 순간엔 핵폭탄 수십억 배의 폭발로 끝납니다.

그치만 이 현상은 믿기힘들정도로 느립니다. 가장 큰 블랙홀은 증발하는 데에만 구골년 정도 걸릴 겁니다. 그래서 마지막 블랙홀이 증발하는 걸 볼 사람은 없을 겁니다. 그때쯤이면 우주도 죽은 지 오래니까요.
번역자: Kurzgesagt – In a Nutshell
영상: Kurzgesagt – In a Nutshell
출처: https://www.youtube.com/watch?v=e-P5IFTqB98
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