<블랙홀>

막대한중력때문에빛마저탈출할수없는천체가블랙홀이다.블랙홀은태양의수십배나되는질량을가진별이,진화의 마지막단계에서 초신성폭발을 일으킨 결과형성된다.우리은하나활동은하,퀘이사의중심에는강렬한에너지를 방출하는 거대한 블랙홀이 있다고생각되어진다.

1.블랙홀이란 무엇인가?

모든 물질 사이에는 서로 잡아당기는 힘, 즉, 중력이 작용하고 있다. 물리학자인 아인슈타인은 물질이 있으면 그주위의 공간이 휘어지며, 그 휘어짐자체가 중력이라는 현상으로 나타나다고 해석하였다. 그것은 마치 팽팽한 고무 시트위에 무거운 물체를 올려놓았을때와 같은 상황이다. 고무 시트는 무거운 물체 때문에 깊이 가라앉은 상태가 된다. 여기에다 다른 물체를 얹어 놓으면, 그 물체는 자연히 깊이 가라앉은 중심의 물체를 향해 떨어져내려 간다. 이렇게 깊이 빠진 바닥에서 나오려면 어느정도 이상의 속도를 지녀야한다. 그렇지 않으면 도중에 에너지가 없어지는 바람에 다시 바닥으로 떨어지게 된다. 밖으로 나올수 있는 최저속도를 탈출속도라고 하는데 가라않은 깊이가 지나치게 커지면 탈출속도가 광속도를 넘게 된다. 그러나 모든 물체는 빛보다 빨리움직을 수가없으므로 이깊은 수렁에서는 이제 어떤 것도 빠져 나올수 가 없다. 이와같은 상태가 바로 '블랙홀'이다.

2.블랙홀은 어떻게 생길까?

물체를 극한까지 압축시키면 어떠한 질량의 물체라도 블랙홀이된다. 예를 들면 태양을 반지름3km가량, 지구를 반지름이1cm가량으로 압축시키면 각각 블랙홀이된다. 그러나 현실적으로는 질량이 태양의 수십배 이상은 별만이 블랙홀이 될수 있다. 블랙홀이 생성되는 과정을 보기위해 별의 진화과정을 살펴볼 필요가있다. 별의 중심에서는 핵융합반응에 의해 엄청난 양의 열이 만들어지는데 이열에 의한 팽창력과 별자체의 중력에 의한 수축력이 평형을 이룸으써 별은 안정한 상태에 있게된다. 그러나 핵융합반응이 진행되는동안 연료를 다태워 중심에 무거운 원소들이 쌓이면 별을 중력때문에 수축하기 시작한다. 이것이 별의 최후인데 질량이 태양과 비슷한별인 경우 원자가 빈틈없이 메꾸어지는 과정에서 전자의 축퇴압력이 중력과 같아지는 단계에서 수축이멈춘다. 이러한 별이 '백색왜성'이다. 그러나 질량이 태양의 10배가량인별에서는 '초신성폭발'이 일어나 대부분의 구성물질이 날아가고 중심에는 무거운 원소들로 구성된 핵이 남고 다시 수축하는데 중력이 너무커 이번에는 전자가 양성자에 들러붙어 중성되고 중성자의 축퇴압력으로 중력을 지탱하는 중성자성이된다. 다시말해 원자핵끼리 맞닿을 정도까지 수축한별이된다. 반지름은 대개 10km까지 수축하게된다. 그러나 중성자별도 태양질량의 3배이상을 지탱하지 못한다. 질량이 태양의 수십배이상인 별이 초신성폭발을 일으키면 바깥부분의 물질이 날아간 후 그 중심에 태양 질량의 3배이상의 핵이 남으면 중성자의 축퇴압력을 도 중력을 지탱할수 없어 무한대로 수축을 하게되는데 이것이 블랙홀이된다.

3.블랙홀찾는 방법

블랙홀에서는 빛도 빠져 나오지못하므로 블랙홀 자체를 볼수는 없다. 그렇다면 어떻게 하여 브랙홀을 찾아 낼 것인가? 블랙홀의 특징은 질량은 크지만 덩치가 작다는 것인데 그와 같은 천체를 찾는데에는 X선 관측이 적합하다. 밤하늘에 보이는 별들은 절반이 연성으로 이루어졌는데 블랙홀이나 중성자별처럼 작은 크기로 수축된 천체가 보통의 별과 연성을 이루고 있으면, 보통별의 가스가 수축별의 강한 중력으로 말미암아 수축된 천체로 흘러들어가게된다. 이물질은 수축된 천체를 중심으로 하여 소용돌이 치는 어크리션 디스크(accretion disk)를 형성한는데 어크리션 디스크안의 물질은 서로 마찰되어 뜨거워진다. 블랙홀이나 중성자성 근처에서는 1000만도까지 가열되어 X선이 방출된다. 어크리션디스크의 온도는 중심천체가 어느 정도로 수축하였는가에 따라 결정된다. 또한 X선으로 밝게 빛나는 연성의 대부분은 어크리션디스크의 중심에 블랙홀이나 중성자별이 있다고 생각해도 된다. 그럼 이밝은 X선 연성중에서 어떻게 블랙홀과 중성자별을 구별할까가 문제인데 그것은 X선을 방출하고 있는 천체의 질량을 구하면된다. 만일 그 질량이 태양질량의 3배 이상이라면 블랙홀이라고 볼수 있다. 거의 블랙홀이라고 인정되고 있는 X선연성은 '백조자리X-1'을 비롯하여 이제까지 넷이 알려졌다.

4.은하중심의 거대블랙홀

X선 연성외에도 블랙홀이 존재한다고 생각되는 곳이있다. 그곳은 우리은하의 중심이다 .우리은하는 2000억 개 가량의 별이 집단으로 보통은 얇은 원반 모양의 부분과 공 보양의 중심부분으로 되어있다. 태양은 우리은하에서 극히 평범한 천체의 하나로서, 원반부의 가장자리에 있다. 은하에 속하는별이나 가스는 은하의 중심 주위를 돌고있다. 우리은하의 중심은 은하수의 궁수자리방향에 있다. 우리은하의 중심방향에는 성간물질이 많아 가시광으로는 멀리까지 볼 수 없다. 그러나, 적외선 관측에 의해 그 중심부의 1광년(1광년은 약9조 5000억km)안쪽으로 좁은 공간에 태양과 같은 별이 100만개나 분포하고 있는 것같다는 결론이 나왔다. 더구나 이들 별들의 운동을 조사한결과 그 중심에는 태양의 약100만배나 되는 질량을 가진 무엇인가가 존재하는 것 같다는 사실도 알려졌다. 현재 가장 우수한 각분해 능력을 가진 VLBI(Very Long Baseline Interferometer:초장기선 전파간섭계)를 통해보면 은하의 중심에는 점 모양의 천체가 존재한다. 이천체는 VLBI로서도 똑똑히 분해되지 않지만, 그 크기는 태양과 지구사이의 거리의 10배가량밖에 되지 않는다. 이렇게 좁은 곳에 태양의 약100만배나되는 질량이 꽉 차 있다는 것을 합리적으로 셜명하려면, 블랙홀을 생각할수 밖에 없다고 천문학자들은 생각하고 있다.

은하중심의 이같은 독톡함은 멀리 있는 '활동은하'의 중심에서 한층더 두드러지게 나타난다. '활동은하'라불리는 은하의 중심에서는 방대한 에너지가 방출되고 있다. 이 에너지는 멀리 있는 활동은하에서 더욱 격렬하게 방출된다. 그좋은 예가 '퀘이사'이다. 퀘이사라는 말은 준항성체 즉, 별처럼보이는 천체라는 말인데 매우 멀리있기 때문에 은하의 원반부가 희미해져 보이지 않게 되고 중심만이 별처럼 보이므로 이런 이름을 붙이고 있다 .퀘이사나 활동은하의 중심에서는 강한X선이 복사되고있다. X선의 세기는 짧은 시간 동안에 크게변동하는 경우가 있다. 이 시간을 통해 활동은하의 중심크기를 추정하니 우리은하의 중심크기와 같은 정도, 즉 태양과 지구사이의 거리의 10배정도의 크기라는 것이다 .활동은하 주위에는 그 작은 중심에서 태양이 매초 방출하는 에너지의 10조에서100조배나 되는 에너지를 방출하는 것이다. 방출하는 에너지가 지나치게 커지면 주위에 있는 물질이 날아가게 된다. 그러나 주위의 물질이 날아가면 중심의 물질은 에너지를 방출할수가 없다. 계속하여 에너지를 방출하려면 강력한 주역을 주위의 물질을 잡아두지 않으면 안 된다. 태양의 10조-100조 배나 되는 에너지를 방출하고 있는 활동은하의 중심에는 태양의 1억개 이상의 질량이 있어야한다. 태양과 지구사이의 거리의 10배가량의곳에 그만한 큰질량이 꽉차게 된다면, 그것은 바로 거대한 블랙홀이 있다고 생각할 수밖에 없다. 더욱 불가사의한 일은, 활동은하의 중심에서는 전파나 가시광선, X선등의 전자기파만이 아니라 물질도 분출하고 있다는 것이다. 분출하는 이 물질의 흐름을 '우주제트'라 불린다. 우주제트는 정반대인 두 방향으로 뻗친 물질의 흐름으로 관측된다. 분출하는 물질의 속도는 광곳에 가깝다. 활동은하의 매우 작은 중심에서수백만 광년의 길이에 걸쳐 다발 상태의 물질의 흐름이 언제 끝날지도 모르게 길게 분출하고 있다. 왜 이러한 불가사이한 일이 일어나고 있는가는 아직 이유를 전혀 모르고 있다. 그러나 중심에 있는 것을 생각되는 거대한 블랙홀이 그 수수께끼를 풀어 줄 열쇠가 아닌가 보고있다.