이것이 수수께끼와 같은 우주현상이다

    나폴레옹 시대에 블랙홀을 예언한 사람이 있다

  블랙홀은 금세기 초두의 아인슈타인 이론에 의해 처음으로 등장한 천체로 되어 
있지만, 놀랍게도 18세기 나폴레옹 시대에 그 존재를 예언한 사람이 있었다. 그 사람은 
프랑스의 천문학자이며 수학자인 라플라스(Laplace;1749__1827)이다.
  라플라스는 천체로부터의 탈출속도에 대해 연구했다. 탈출속도란 그 천체의 
인력(중력)에 도로 이끌려 가지 않고 우주로 튀어 나가는 데 필요한 속도를 말한다. 
그런데 이것에는 그 천체가 커지면 커질수록 빨라지고, 같은 질량(무게라 생각해도 
좋다)일 때는 그 천체가 작아지면 작아질수록 빨라진다는 법칙이 있다. 지구의 탈출 
속도는 초속 11.2km이지만, 만일 지구를 달걀만 하게 축소시킬 수 있다면 11.2km보다 
훨씬 더 빨라질 것이다.
  그래서 라플라스는 태양과 같은 천체를 자꾸만 작게 만들면 어떻게 될까 하고 
생각했다. 점점 작아지면 탈출속도는 점점 더 빨라지므로, 아주 작게 만들면 탈출속도는 
광속을 넘어설 수 있을 것이라 생각했다. 탈출속도가 광속을 넘으면 거기에서는 빛이 
나올 수 없게 되므로 그러한 천체는 새까맣게 보일 것이다. 당시에 블랙홀이란 말은 
없었지만, 실제로는 라플라스가 똑같은 것을 생각했다고 볼 수 있다.

    별의 '사후 세계'를 연구하다 블랙홀을 발견했다

  아인슈타인 이론을 이용해서 라플라스와 똑같은 연구를 한 사람은 미국의 이론 
물리학자 오펜하이머(Oppenheimer;1904__1967)이다.
  그들은 1930년대에 별의 '사후 세계'에 어떠한 일이 일어날 것인가를 연구하였다. 별은 
팽대한 물질이 모여 형성된 것으로, 그 거대한 중력 아래에서 자꾸만 축소되려는 힘과 
핵융합 반응에 따른 내부로부터의 압력 사이에서 어떤 크기를 유지하고 있다. 그러므로 
일생을 마치고 핵융합 반응으로 사라져 버리면, 나중에는 중력만 남게 되므로 자꾸만 
축소될 수밖에 없다.
  본래의 별이 어느 정도 이상의 크기일 때는 중력이 크므로 남겨진 물질은 강한 힘에 
압착되어 전자, 양자, 중성자 등의 소립자가 되어 버리지만, 그런 상태라면 곧 
전자(@m-@e)와 양자(@m+@e)가 결합해서 중성자가 되기 때문에 결국 중성자만의 
중성자별이 된다.
  그러나 물질이 아주 많아서 중력이 큰 경우에는, 중성자만으로는 지탱하기 어려워서 
계속 축소된다.
  자꾸만 축소하여 한 개의 점으로 되어 버리면, 아인슈타인의 이론에 따라서 그 
주변에는 빛조차도 탈출할 수 없는 방어벽이 생긴다고 한다. 이것이 곧 블랙홀이다.

    블랙홀이란 공간에 생긴 구멍?

  블랙홀은 중력으로 만들어진 공간 사이의 구멍이다.
  이런 설명만으로 '역시 구멍이었군'하고 생각하고 말겠지만, 그런 것은 상식적으로는 
생각할 수 없는 일이다.
  여기서 상기해야 할 것은 아인슈타인 이론이 시간과 공간을 물리학의 대상으로 
삼았다는 사실이다. 물질이나 전기와 마찬가지로 시간과 공간을 다루는 것이 
아인슈타인의 이론인 것이다.
  그냥 구멍이라고 하면 이미지가 너무나 구체적인 것 같으므로, 차라리 '공간에 기묘한 
영역이 생긴다'라고 표현하는 편이 좋을 것 같다.
  그러나 어쨌든 간에 우리는 그 구멍을 볼 수 없으므로 여기서는 2차원의 유추로 
설명하기로 한다. 고무막을 펼쳐 놓고 그 위에 포탄을 올려놓는다. 고무막이 공간이고, 
포탄이 중력원이다. 당연히 포탄에 의해 고무막은 함몰하고 구멍이 생긴다.
  이 구멍이 바로 블랙홀이다. 그런 것이 공간에 생긴다고 상상하면 된다.

    최초의 블랙홀 설은 아무도 믿지 않았다

  아인슈타인 이론에 따라 블랙홀이 별의 '사후의 세계'에 등장한다는 것이 오펜하이머에 
의해 제시되었지만, 당시의 분위기로는 그것은 어디까지나 이론의 산물일 뿐, 실지로 
우주에 그러한 것이 있다고는 믿을 수 없다는 생각이었다.
  그도 그럴 것이 이론대로라면 그 구멍으로 들어가면 두 번 다시 나올 수 없고, 어떤 
공간이나 마음대로 통과하는 빛마저도 차폐되어 나올 수 없다는 것이니까 정말 믿기 
어려웠을 것이다.
  당시는 아인슈타인 이론에 의해 예언된 우주 팽창이 발견(1929년)된 직후였고, 이론에 
대한 신뢰성도 대단해서 이밖에도 어떤 재미있는 예언이 나올까 하면서 여러 가지 
일들에 아인슈타인 이론을 적용하였다. 그럴 때 마침 블랙홀이라는 흥미 있는 것이 
등장한 것이다.

    우주인으로부터의 신호? 펄서의 정체는?

  1968년, 영국의 뮬러드 천문대에서 천체를 관측하고 있던 케임브리지 대학의 여자 
대학원생 벨이 하늘 한 곳에서 발신되어 오는 이상한 전파를 포착했다.
  그것은 너무나 규칙적이어서 인공적인 것이라고도 생각되는 전파였기 때문에, 
처음에는 우주인이 어떤 신호를 보내온 것이 아닌가 하여 큰 소동이 일어났으나, 이를 
세밀히 조사해 본 천체 물리학자에 의해 그 정체가 곧 밝혀졌다.
  이 펄서 신호는 1.336초라고 하는 극히 짧은 것이었으나, 그렇게 짧은 신호는 굉장한 
속도로 회전하고 있는 천체로부터 발사된 것이었다. 보통 천체가 그렇게 굉장한 속도로 
회전하면 공중분해가 되므로 존재할 수 없게 된다. 그래서 천체 물리학자의 뇌리에 
떠오른 것이 1930년대에 오펜하이머가 예언한 중성자별이었다. 중성자별이라면 상상을 
초월할 만한 중력으로 중성자끼리 결합되어 있기 때문에 아무리 빠른 속도로 
회전하더라도 원심력에 의해 공중분해되는 일이 없는 것이다.
  이 천체는 펄스 신호를 발신하고 있다고 해서 현재는 펄서라 불리고 있다.

    펄서가 블랙홀의 존재를 예지 시켰다

  펄서의 발견에는 중요한 의미가 있었다.
  그것은 탁상공론에 불과하다고 생각해 왔던 오펜하이머의 이론으로 예언된 중성자별이 
실지로 우주에서 발견되었기 때문이다.
  오펜하이머의 주장에 따르면, 중성자별을 짓눌러 분쇄해 버릴 만한 아주 큰 중력이 
존재하게 되면 그 곳에는 블랙홀이 형성되어 있는 것이므로 중성자별의 발견은 곧 
블랙홀의 발견으로 이어지는 것이다.
  블랙홀이 단순한 이론상의 산물이라면 '과연 그렇게 생각할 수도 있겠지.'하고 
대수롭지 않게 여길 수도 있지만, 그것이 실재한다고 할 때는 문제가 달라진다.
  펄서의 발견을 계기로 블랙홀이 현실적인 것으로 받아들여져 연구에 박차를 가하기 
시작했다.

    제1펄서의 신상 명세서

  벨이 발견한 제1호 펄서는 황소자리의 게성운이라는 유명한 천체에서 발견되었는데, 
이 게성운은 1054년의 초신성 폭발 시에 형성된 것으로 알려져 있다. 즉, 우리의 
태양(주계열성@m=@e표준적인 별)보다 훨씬 큰 별이 최후를 맞이하여 대폭발을 일으킨 
후에 이 중성자별이 탄생한 것이다.

    어떠한 조건이 갖추어져야만 블랙홀이 생기는 것일까?

  블랙홀을 이론적으로 예언한 것은 오펜하이머인데, 그 천체에 '블랙홀'이라는 그럴 
듯한 이름을 붙인 사람은 미국의 천문학자 호일러이다.
  오펜하이머가 사용한 용어는 '중력 붕괴 천체'였다.
  그 이름으로서도 알 수 있듯이 블랙홀은 별이 중력에 의해 붕괴되어 생기는 것인데, 
어떠한 별도 최후를 맞이한 후 그냥 블랙홀이 되는 게 아니라 어떤 확실한 조건이 
구비되어 있어야만 한다.
  그것은 별이 초신성 폭발을 한 후에 남은 잔해 물질의 질량이 태양의 10배 이상이 
되는 것이라야 한다. 즉, 본래가 태양 등과는 비교도 안 될 만큼 거대한 별이 아니면 
블랙홀이 될 자격이 없다는 말이다. 밤하늘에 반짝이는 별은 대부분이 태양과 같은 
주계열성이므로, 그러한 의미에서 블랙홀이 될 만한 거대한 별은 그렇게 많지 않다.

    블랙홀 안은 어째서 별세계일까?

  블랙홀은 공간에 뻥 뚫린 우주의 구멍이다.
  방호벽을 넘어 그 곳에 들어가 버리면 다시는 나오지 못한다. 빛마저도 빠져 나올 
수가 없다. 우주의 정보는 빛(전파)으로 전달되므로, 빛이 빠져 나올 수 없다는 것은 그 
곳에서는 아무런 정보도 전해 오지 않는다는 말이 된다.
  우리는 서로 정보를 주고받음으로써 같은 세계에 살고 있다는 것을 알게 된다. '저 
세상'이란 말은 '이 세상'과 정보 교환이 가능하다면, '저 세상'은 '이 세상'의 일부가 될 
것이다.
  그러므로 블랙홀의 내부는 정보가 차단되어 우리 세계와는 전혀 다른 별세계이다. 
우리의 우주에 출현한 별세계, 그것이 바로 블랙홀이다.

    블랙홀 안에서는 세계가 낙하하고 있다

  블랙홀 안으로 들어가면 빛조차 빠져 나오지 못하게 되는 것일까? 아무리 왜곡된 
공간이라 하더라도 공간은 공간이므로 빛만큼은 자유자재로 진행할 수 있을 것 같다. 
그런데도 절대로 빠져 나오지 못한다고 하니 어찌된 일일까?
  그 의문은 다음과 같은 예를 이해하면 쉽게 풀린다.
  지금 어떤 사람이 백화점의 하행 에스컬레이터를 거꾸로 시속 30km로 뛰어오르려 
하고 있다. 이 에스컬레이터의 속도는 시속 5km이므로 보통 때 같으면 쉽게 뛰어 올라갈 
수 있지만, 에스컬레이터의 속도가 갑자기 50km가 되고 말았다. 이렇게 되면, 그 사람은 
절대로 에스컬레이터를 거슬러 올라갈 수 없다. 본인은 열심히 뛰어 올라가는 것 같아도 
오히려 밑으로 밀려 내려가고 만다.
  이와 마찬가지로, 극한적인 중력의 세계가 실현되고 있는 블랙홀 내부에서는 모든 
것이 중심부(?)를 향해 빨려 들어간다고 생각하면 된다. 모든 것이라고 했으니까, 비록 
빛이라 하더라도 밖으로 나올 수는 없다. 온 세계가 구멍의 중심부를 향해 낙하하고 
있다고 생각하면 된다.

    블랙홀은 극한적으로 왜곡된 공간이다

  빛이 빠져 나오지 못한다는 것은 또 다른 설명으로도 이해할 수 있다.
  앞에서도 설명했듯이, 아인슈타인 이론에 따르면 중력은 공간의 왜곡에 의해 발생하는 
힘이므로 극한적인 중력 공간인 블랙홀 내부에서는 공간이 극한적으로 왜곡되어 있다고 
한다.
  빛은 공간을 통과한다. 그러므로 그 공간이 극한적으로 왜곡되어 있으면 안으로 
들어간 빛은 내부에 갇힌 꼴이 되므로 밖으로 나올 수 없다.
  공간이 왜곡되어 있다는 것이 관측에 의해 확인되고 있고, 최근에는 아인슈타인이 
예언한 '중력 렌즈'가 발견되어 이를 확실하게 입증하고 있다.
  '중력 렌즈'란 은하의 중력으로 주변의 공간이 왜곡되어 그 곳이 렌즈처럼 되는 
것으로서, 그 결과 멀리서 온 천체의 빛이 4가닥으로 갈라져서 십자로 보인다.
  이것을 '아인슈타인의 십자'라고 하는데, 이것이 발견됨으로써 그 사실이 확인되었다.

    블랙홀은 아직 단 하나도 발견되지 않고 있다

  우주론의 세계에서 블랙홀은 초유명 천체이므로 벌써 많이 발견되었을 것이라고 
생각하겠지만, 실지로는 아직 하나도 발견되지 않고 있다. 하지만 그것은 당연한 것이다. 
왜냐하면 블랙홀에서는 빛조차도 빠져 나오지 못하므로 아무리 정밀한 관측 기구를 
동원한다 하더라도 직접 포착할 수 없기 때문이다.
  그렇다면 어째서 유명한 백조자리의 X__1이 블랙홀의 유력한 후보로 떠오른 것일까?
  그것은 블랙홀 비슷한 천체가 인근에 있는 별의 물질을 자꾸만 빨아들여, 그때 물질이 
서로 충돌하여 발생했을 것이라고 추측되는 X선이 대량으로 검출되고 있기 때문이다. 
블랙홀이 되는 별은 본래 두 개의 별이 연이어진 이중성인 경우가 많으므로, 한쪽이 
중력 붕괴를 일으켜 블랙홀이 되면 이러한 현상이 일어난다. 그래서 대량의 X선을 
방출하는 '보이지 않는 천체'가 블랙홀일 것이라는 지목을 받고 있다.

    블랙홀은 우주에 몇 개나 있을까?

  블랙홀은 일단 형성되고 나면 절대로 소멸하지 않는다. 주변의 물질을 흡수하여 
차츰차츰 커질 뿐이다. 그러므로 우주는 나이를 먹어 갈수록 차츰 불어나게 된다.
  블랙홀 연구가의 말에 의하면 별이 최후를 맞이한 후에 형성되는 블랙홀은 우리의 
은하계 안에만도 10만 개 이상이나 있다고 한다. 우주에는 우리의 은하계와 같은 은하가 
1천억 개 이상이나 있으니까, 블랙홀도 10만 개의 1천억 배는 있다고 본다.
  은하계에 10만 개나 있다고 하면 많은 것같이 생각되나, 은하계별의 수가 2천억 개란 
것을 생각하면 미미한 숫자에 불과하다.

    버뮤다 해역의 블랙홀이란?

  미국의 뉴욕 먼바다인 대서양상에 버뮤다 해역이란 곳이 있다. 옛날부터 이 곳에서 
선박이나 조난한 비행기가 감쪽같이 행방불명이 되곤 해서, 어떤 불가사의한 원인이 
있는 것이 아닐까 하는 소문이 나돌았는데, 어떤 사람이 "그 곳에 혹시 블랙홀이 있는 
것이 아닐까"라는 말을 하여 주목된 곳이 바로 버뮤다 해역 블랙홀 설이다. 배나 
비행기를 삼켜 버린다는 것이다. 물론 현재 우주공간에 있는 거대한 블랙홀이라면 
지구도 삼켜 버릴 수 있으니까, 그 블랙홀은 필시 조그마할 거라고 그 사람은 말한다.
  과연 재미있는 가설이다. 물론 현재의 우주에서는 그런 조그마한 블랙홀이 형성되는 
시스템은 없으나, 우주가 탄생했을 무렵이라면 상상을 초월하는 고압 상태가 
실현되었으리라 믿어지므로, 조그마한 블랙홀이 형성되었을지도 모른다. 그런 블랙홀이 
우주를 포류하다가 우연히 버뮤다 해역에 자리를 잡았다는 것도 전혀 부정할 수는 없다.
  하지만 이 이야기를 과학적으로 신용할 수 있는냐 하는 데는 도리질을 할 수밖에 
없다. 모든 것을 억지로 블랙홀 설에다 적용시키려 한 것 같다.

    블랙홀에 빨려 들어간 우주선은 어떻게 될까?

  은하계 안에만 10만 개 이상의 블랙홀이 있다고 하니까 장래 우주선이 난비하게 되면, 
그 중에는 블랙홀에 조난하는 것도 나올지 모른다.
  블랙홀에 빨려 들어간 우주선의 운명은 어떻게 될까?
  보통 블랙홀이라면 우주선은 흡수된 순간에 강한 중력으로 납작하게 짓눌리고 말 
것이다. 그것도 아차 하는 순간에 이루어진다.
  그러나 여기서 이상한 현상이 일어나게 된다. 즉, 우주선은 아차 하는 사이에 빨려 
들어가 분쇄되어 이 세상에서 사라져 버리는데, 만일 우리가 지구에서 그 우주선을 
관측하고 있었다면 우주선은 그곳에 못박힌 듯이 움직이지 않는다. 영원히 그대로 있는 
것이다.
  아차 하는 사이에 빨려 들어간 우주선이 영원히 그 곳에 있다는 것은 모순되는 
이야기인 것 같으나, 아인슈타인 이론을 그렇게 된다고 설명하고 있다.

    블랙홀에 흡인된 우주선은 영원히 빨려 들어가지 않는다

  아인슈타인 이론에 의하면 중력이 강한 곳에서는 약한 곳보다 신간이 느리게 
진행된다.
  정밀한 원자시계로 측정한 결과, 무중력 상태인 인공위성 안의 시계보다 지구상의 
시계가 더 느리게 간다는 것이 확인되었다.
  중력이 커지면 커질수록 시간이 느리게 가는 것이므로, 블랙홀과 같은 극한적인 
중력장의 시간은 동결되고 만다. 동결된 시간의 우주선은 움직이지 않는다. 우리에게는 
그렇게 보이는 것이다.
  그러나 우주선 안에 있는 사람에게는 시간이 보통대로 진행된다. 그러므로 눈 깜짝할 
사이에 블랙홀로 흡수되어 납작해지고 마는 것이다.
  그렇다면 우리는 빨려 들어간 우주선의 환영을 보고 있는 것일까? 그렇다고 해도 
무방하지만 상대론적으로 말한다면 양쪽 모두가 정답이므로, '블랙홀에 빨려 들어간 
우주선은 영원히 흡인되지 않는다'고 해도 좋은 것이다.

    은하계 중심에 거대한 블랙홀이 있다

  관측 기술의 발달과 컴퓨터의 고도화로 지난 10여 년 사이에 우주에 대해 여러 가지 
새로운 사실이 밝혀졌다.
  그 중의 하나가 은하계 중심에 있는 블랙홀의 발견이다. 레이더 관측 등으로 아주 
오래 전부터 은하계 중심부가 소란스럽다는 것을 알고 있었지만, 지금까지는 별이나 
성간물질에 저지되어 관측이 불가능했다. 그러나 컴퓨터 해석 등으로, 중심부에 거대한 
블랙홀이 있다는 것이 거의 확실시되었다.
  계산에 따르면 그 반경은 1억 5천만km나 되니까, 별이 사멸한 후에 생기는 보통 
블랙홀의 반지름이 30km인 것에 비하면 얼마나 거대한가를 알 수 있다.
  은하계는 우주에 분포하는 다른 은하와 같은 형태이므로, 그 곳에도 중심부에 
블랙홀이 있다면, 우주 전체에는 막대한 수의 블랙홀이 있다는 것이 된다.

    수수께끼의 천체 '쿠에이서'도 거대한 블랙홀?

  1963년 미국의 슈미트에 의해 발견된 '쿠에이서'라는 수수께끼의 천체가 있다.
  아득히 먼 우주에서 발견된 천체인데, 이상한 것은 별과 같은 점광원인데도 은하와 
같은 거대한 에너지를 방출하고 있다는 것이다.
  이것은 거대한 별이라는 설과 화이트홀이라는 설 등 여러 가지 가능성이 
제시되었는데, 결국 요즈음에 와서 그 정체가 은하의 중심핵이라는 것이 분명해지고 
있다. 관측 기술의 진보로 쿠에이서의 둘레가 은하와 같은 구조로 되어 있다는 것이 
확인되었기 때문이다. 모두가 10억 광년 이상이라는 먼 거리에 있기 때문에 유난히 밝은 
중심부만 보이고 주위는 어두워서 보이지 않았던 것이다.
  은하의 중심핵이므로 이것은 당연히 블랙홀이라야 한다. 그리고 그렇게 먼 곳에 
있다는 것은 옛날부터 존재해 있었다는 것이 되므로, 우주에는 먼 옛날부터 블랙홀이 
있었다고 볼 수 있다.

    블랙홀이 있다면 화이트홀도 있을까?

  있을 수도 있다고 생각된다.
  왜냐하면 자연계는 전기의 플러스와 마이너스, 자석의 N극과 S극, 물질의 정물질과 
반물질이 있는 것처럼 모든 것이 균형 있게 존재하는 것이 보통이기 때문이다. 이것을 
시머트리(Symmetry)의 법칙이라고 하는데, 어째서 그런지는 몰라도 자연계는 그렇게 
되어 있는 것이다.
  이 법칙을 블랙홀에 적용시키면 반대 성질을 지닌 화이트홀이 있을 법하다는 말이다.
  블랙홀과 반대현상이라면 화이트홀은 밀어내는 작용을 할 것이므로 그 내부로는 
절대로 들어갈 수 없을 것이다.

    블랙홀은 시간의 터널일지도?

  우주는 또 다른 우주와 웜홀(wormhole)이라는 터널로 연결되어 있고, 블랙홀이 그 
입구라고 하는 기묘한 주장을 한 사람이 있다. 주장이라고는 해도 아인슈타인 이론을 
면밀하게 해석한 결과이므로 SF나 공상은 아니다.
  그 사람은 뉴질랜드의 우주 물리학자인 카이다. 그의 주장에 따르면 블랙홀로 
들어가게 되면 웜홀을 통과하여, 다른 우주의 화이트홀로 빠져 나간다는 것이다.
  그러나 우리 입장에서 보면 블랙홀은 이미 별세계이므로 그 곳으로 들어가 버리면 
아무런 관계도 없어진다. 어쨌든 재미있는 착상임에는 틀림없다. 일단 블랙홀로 들어가 
버리면 카의 주장대로 블랙홀을 통과해 다른 우주로 갈 수는 있다 해도, 우리의 우주로 
되돌아올 수는 없다.
  그는 또, 그 터널을 통과하면 과거로 갈 수도 있고 미래로 갈 수도 있다고 했다.
  이것이 바로 아인슈타인 이론에서 도출된 결론이라 하더라도, 너무나 기발하여 현대의 
대부분의 학자들은 이론상의 주장에 지나지 않는 것이라고 생각하고 있다.