블랙홀이란?

항성이 진화의 최종 단계에서 폭발한 후 수축하여 생성된 것으로 추정하고 추측되는 강력한 밀도와 중력으로 그 무엇도 빠져나올 수 없는 시공간의 영역으로 알려져 있다.

블랙홀로부터 탈출이 불가능해지는 경계를 사건의 지평선이라고 하고 어떤 물체가 이 지평선을 넘어가는 경우에 파멸적 영향이 가해지지만 바깥에서 보는 관찰자에게는 속도가 느려져서 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보이게 된다고 한다. 블랙홀에서는 빛을 전혀 반사하지 않기 때문에 흑체처럼 보이고 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체 스펙트럼의 열복사를 방출해서 이것을 호킹 복사라고 한다고 한다. 



항성질량 블랙홀은 온도가 수십억분의 1켈빈 수준이라 그 열복사를 관측하는 게 현재로 불가능하고 중력장이 너무 강하기 때문에 빛이 탈출할 수 없는 개념을 18세기에 처음 생각해 냈다고 하지만 블랙홀로 특정이 되는 일반상대론 최초는 1916년 카를 슈바르츠실트가 발견했다고 한다. 그러나 블랙홀이 아무것도 탈출할 수 없다고 공개한 것은 1958년도 데이비드 핀켈스타인의 논문에서 처음 등장했고 오랫동안 수학적 관심의 대상이 되었다.

항성질량 블랙홀은 질량이 큰 항성들이 수명을 다했을 경우에 붕괴하면서 만들어지는 것으로 예측하며 그 형성된 후에도 주위 질량을 흡수하면서 성장이 가능하다. 

이 블랙홀의 안을 볼 순 없지만 다른 물질들과 상호작용하는 것을 통하여 성질을 예측할 수 있고 그렇게 알게 된 것은 위에서 낙하한 물질들은 강착원반은 형성하고 원반은 마찰열로 인해 뜨거워지면서 열복사로 빛이 난다.

우주에서 가장 밝은 천체 퀘이사는 이런 과정을 통해서 만들어지며 블랙홀 주위를 공전하는 항성이 있을 경우에 그 궤도로 블랙홀의 질량과 위치를 추측할 수 있다. 



블랙홀은 형성된 이후에 안정적인 상태에 달하게 되면 세 개의 독립적인 질량, 전하, 각운동량만을 가지게 된다. 이것들을 물리량이라고 하는데 물리량 또는 변수들이 동일한 두 개의 블랙홀을 고전역학을 통해서 구분하는 것이 불가능하며 블랙홀 바깥에서 이 성질을 볼 수 있다는 점이 매우 신기하고 특별하다.

어떠한 물체가 블랙홀을 향해 낙하하게 되면 그 물체 속에 분포하고 있는 전하가 블랙홀 지평선을 따라서 균일하게 분산되고 바깥의 관찰자가 보기에는 그 정보가 사라지는 것처럼 보이게 된다. 이 상황에 지평선 양태는 마찰과 전기저항이 있는 산일 구조가 된다.

블랙홀은 세 가지의 변수에 의해 안정적인 상태에 달하기 때문에 그 안에서 최초 상태에 관한 정보를 없애지 않고 확인할 수는 없다. 블랙홀의 중력장과 전기장은 그 안으로 들어간 모든 것에 대한 정보를 제공하지 않는다. 그렇게 소실되는 정보는 지평선에서 측정할 수 없는 물리량이 된다.



사건의 지평선은 블랙홀에 있어서 결정적인 특징이다. 이 지평선은 물질과 빛이 그 안으로 들어갈 수만 있고 나올 수 없는 시공간 상의 경계임을 나타낸다. 이 영역에선 심지어 빛마저도 바깥으로 나올 수 없다. 사건의 지평선이라는 이름이 생기게 된 것은 사건이 벌어지고 그 사건에 대한 것을 외부에서 도달할 수 없기 때문에 만들어지게 됐으며 그 사건이 왜 일어나고 왜 벌어지는지조차 알 수 없다.

블랙홀로 낙하하는 물체들은 지평선에 가까울수록 점점 느려지는 것처럼 보이게 된다. 그렇게 되면 사건의 지평선에 닿는 데까지 걸리는 시간은 무한대가 되어 알 수가 없게 되는 것이다. 또한 최종적으로 낙하하는 물체가 너무 어두워서 보이지 않게 돼 측정할 수가 없다.



블랙홀의 중심은 중력 특이점이 존재한다. 회전하지 않는 블랙홀의 경우에 특이한 점은 하나의 점 형태를 갖는다는 것이고 회전하는 블랙홀의 경우에는 고리 모양의 특이점을 갖는다. 이 두 경우에 특이점의 부피는 0이고 질량 밀도는 무한대가 된다고 예측한다.

특이점에 도달하는 물건은 무한한 밀도에 의해서 짓뭉개지고 물건의 질량이 블랙홀의 질량과 합해져서 블랙홀의 질량이 그만큼 증가하게 된다. 짓뭉개지기 전 물건은 조석력에 의해서 길쭉하게 늘어지고 찢어지며 이 효과를 국수 효과라고 부른다. 전하량을 갖게 되는 라이스너_노르드스트룀 블랙홀이나 회전하는 커 블랙홀의 경우에 특이점을 회피할 수 있고 이 부분을 확장하면 웜홀로 기능하면서 다른 시공간으로 나갈 수 있는 가능성이 있다는 가설도 존재한다. 커 블랙홀의 특이점은 닫힌 시간 곡선이 발생한다는 것인데 할아버지 역설 같은 인과율 상의 문제가 발생하며 양자론적 처치를 거치게 되면 노르드스트룀 블랙홀이나 커 블랙홀 주위에서 웜홀이나 인과율 역설의 일은 모두 일어나지 않을 것으로 생각된다.



작용권이란 회전하는 블랙홀의 주위엔 멈춰선 상태를 유지하지 못하는 시공간이 형성되는데 틀 끌림이라는 과정의 결과물이다. 회전하는 질량은 바로 주위에 있는 시공간을 끌어당기게 됨을 예측하며 주위에 있는 물체는 회전 방향을 따라 움직이게 된다. 회전하는 블랙홀은 이 효과가 강력하여 지평선 근처의 물체는 빛보다 빠르게 움직여야 하는데 불가능하므로 안의 물체는 절대로 정지해 있는 것처럼 보일 수 없다고 한다. 



블랙홀은 성질상 호킹 복사를 제외하면 직접적으로 전자기 복사를 방출하지 않아 블랙홀을 찾는 천체물리학자들은 간접적 관측 수단에 의존해서 찾아야 한다. 블랙홀 주위의 중력적 상호작용을 통해서 그 존재를 알아내는 것이 간접적 관측 수단 중 하나고 현재 궁수자리 블랙홀에 대한 직접적 관측을 시도해 보는 중이다. 궁수자리의 지평선 바로 바깥에 자기장이 존재할 것이란 이론적 예상은 2015년도 EHT에 의해서 사실로 드러났다.