블랙홀(영어: Black hole)은 항성이 진화의 최종단계에서(중성자 별로 가지 않는 한) 폭발 후 수축하여 생성된 것으로 추측되는,강력한 밀도와 중력으로 입자나 전자기 복사,빛을 포함한 그 무엇도 빠져나올 수 없는 시공간의 영역입니다.
1.일반적인 상대성이론
충분히 밀집된 질량이 시공을 뒤틀어 블랙홀을 형성할 수 있음을 예측하며,블랙홀로부터의 탈출이 불가능해지는 경계를 사건의 지평선(event horizon)이라고 합니다.어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우,그 물체에는 파멸적 영향이 있겠지만,바깥 관찰자에게는 속도가 점점 느려져 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보입니다. 블랙홀은 빛을 반사하지 않기에 이상적 흑체처럼 행동하며 휘어진 시공간의 양자장론에 따르면 사건의 지평선은 블랙홀의 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체 같은 스펙트럼의 열복사를 방출하며,이를 호킹 복사라고 합니다.항성질량 급 블랙홀의 경우 이 온도가 수십억분의 1켈빈 수준이기에 그 열복사를 관측하는 것은 본질적으로 불가능합니다. 중력장이 너무 강해서 빛이 탈출할 수 없는 천체의 개념은 18세기에 존 미첼과 피에르시몽 드라플라스 후작이 처음 생각해냈으며,블랙홀로 특징지어지는 일반 상대론의 최초의 근대적 해는 1916년 카를 슈바르츠실트가 발견했습니다.다만 아무것도 탈출할 수 없는 공간상의 영역이라는 해석은 1958년 데이비드 핀켈스타인의 논문에서 처음 등장했고,블랙홀은 오랫동안 수학적 관심거리가 되었습니다.1960년대에는 블랙홀이 일반 상대론에서 유도됨을 증명하는 이론적 연구들이 행해졌으며,중성자별의 발견은 중력 붕괴한 밀집성이 천체물리학적 실체로서 존재할 가능성에 대한 관심을 일으켰습니다.
항성질량급 블랙홀은 매우 질량이 큰 항성들이 수명이 다했을 때 붕괴하여 만들어지는 것으로 생각되고,블랙홀은 형성된 뒤에도 주위의 질량을 흡수하여 성장할 수 있습니다.다른 항성을 흡수하거나 블랙홀들끼리 융합하면서 수백만 M☉에 달하는 초대질량 블랙홀이 형성될 수 있으며,대부분의 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이 존재한다는 것이 과학계의 일반적인 견해이기도 합니다.블랙홀의 안을 들여다볼 수는 없지만,블랙홀이 다른 물질과 상호작용하는 것을 통해 그 성질을 알아낼 수 있습니다.블랙홀 위로 낙하한 물질은 강착원반을 형성하고,원반은 마찰열로 인해 뜨거워져 열복사로 빛나고,우주에서 가장 밝은 천체인 퀘이사는 이러한 과정을 통해 만들어집니다.블랙홀 주위를 공전하는 다른 항성이 있을 경우,그 궤도를 통해 블랙홀의 질량과 위치를 비정할 수 있습니다.이러한 관측을 통해 중성자별을 비롯한 다른 유사 천체들을 제외함으로써 천문학자들은 블랙홀 후보들이 포함된 쌍성계를 셀 수 없이 많이 발견해냈고,우리은하 중심 방향에 존재하는 전파원 궁수자리 A*가 4백 3십만 M☉의 초대질량 블랙홀임을 밝혔습니다.
2. 최초의 중력파 관측에 성공
2016년 2월 11일,LIGO 합동 연구진은 두 개의 블랙홀이 서로 융합하면서 발생한 중력파를 감지함으로써 역사상 최초의 중력파 관측에 성공했다고 발표했습니다.이는 최초의 중력파 관측이며 동시에 최초로 블랙홀 쌍성계 융합이 관측된 사례이기도 합니다. 2019년 4월 10일,대한민국에서도 정태현 등 10명의 연구진의 참여한 EHT(사건지평선망원경,EHT·Event Horizon Telescope) 연구팀은 처녀자리 A 은하에서 인류 최초로 찍은 블랙홀의 사진을 공개했습니다.
전파망원경의 파장을 작게 만들거나 망원경을 크게 만들어 해상도를 높여 촬영할 수 있었으며,1.3mm 수준의 작은 전파를 사용해 지구 전역에 흩어진 8대의 전파망원경들을 동시에 써 사실상 지구 크기의 전파망원경을 쓴 것과 같은 효과를 냈습니다. 연구 결과 사진의 블랙홀은 블랙홀 뒤에서 온 빛이나 주변에서 발생한 빛이 블랙홀의 중력에 의해 휘감겨 형성된 고리 모양의 구조 안쪽에 있는 것으로 나타내고,이 공간은 내부의 빛이 빠져나오지 못해 형성되어 '블랙홀의 그림자'라고 불렸습니다.
3.성질과 구조
블랙홀은 형성된 이후 안정된 상태에 도달하면 오로지 세 개의 독립적인 물리량 질량·전하·각운동량만을 갖게 되며,이 물리량 또는 변수들이 동일한 두 개의 블랙홀은 고전역학(i.e. 비 양자역학)을 통해 구분하는 것이 불가능합니다.이 성질은 블랙홀 바깥에서 볼 수 있다는 점에서 매우 특별하며,예컨대 대전된 블랙홀은 다른 대전 된 물체처럼 척력을 발생시킵니다. 질량의 경우,블랙홀을 포함하고 있는 구 안의 질량은 가우스 법칙의 중력적 상사형인 ADM 질량을 통해 블랙홀에서 멀리 떨어져서도 알아낼 수 있습니다.
또한 각운동량은 중력 자성에 의한 틀 끌림을 통해 블랙홀에서 멀리 떨어져서 알아낼 수 있습니다. 어느 물체가 블랙홀을 향해 낙하하면,그 물체의 모양이나 그 물체에 분포하고 있는 전하에 대한 정보가 블랙홀의 지평선을 따라 균등하게 분산되면서 블랙홀 바깥의 관찰자에게는 그 정보가 소실됩니다.이 상황에서 지평선의 양태는 마치 마찰과 전기저항이 있는,신축성과 전도성을 가진 막과 매우 유사한 산일 구조가 됩니다.이는 시간 가역성을 갖기에 미시적 수준에서 마찰이나 저항을 하여지지 않는 전자기장 따위의 다른 장이론과 구분되는 지점입니다.
블랙홀은 오직 세 개의 변수에 의해 안정적 상태에 도달하기 때문에 안에서 최초 상태에 관한 정보를 소실하지 않을 수 있는 방법은 없습니다. 블랙홀의 중력장과 전기장은 그 안으로 들어간 것에 대한 정보를 거의 제공하지 않고,이렇게 소실되는 정보에는 블랙홀 지평선에서 멀리 떨어진 곳에서는 측정할 수 없는 모든 물리량이 포함됩니다.중입자수나 경입자서 같은 보존된 양자수도 그 예시이며 곤혹스러운 성질을 일컬어 블랙홀 정보 역설이라고 부릅니다.
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