블랙홀(Black Hole), 화이트홀(White Hole), 웜홀(Worm Hole)이란?

집필자 jongroinf (2007-09-01 03:48)

블랙홀(Black Hole), 화이트홀(White Hole), 웜홀(Worm Hole)이란?

 

I. 블랙홀(Black Hole)

 

1. 블랙홀의 역사

    1) 1783년 미첼(영) : 질량주변에서 빛이 휠 수 있고, 빛이 탈출할 수 없게 하는 천체가 존재함.

        (수년 뒤 라플라스도 비슷한 제안을 함)
    2) 20세기초 아인슈타인(독) : 상대성 이론에서 빛이 중력에 의해 휨을 증명함

        (이론뿐만아니라 실험적으로도 증명됨)
    3) 1969년 휠러(영) : "블랙홀" 이라는 명칭을 만듦
    4) 1974년 스티븐 호킹(영) : Black Hole도 다른 천체처럼 빛을 낼 수 있다고 발표함

 

2. 블랙홀이란 ?

 

1) 정의

 

모든 물질 사이에는 서로 잡아당기는 힘, 즉 중력이 작용하고 있다. 물리학자인 아인슈타인은 물질이 있으면 그 주위의 공간이 휘어지며, 그 휘어짐 자체가 바로 중력이라는 현상으로 나타난다고 해석하였다.

 

그것은 마치 팽팽한 고무 시트 위에 무거운 물체를 올려놓았을 때와 같은 상황이다. 고무 시트는 무거운 물체 때문에 깊이 가라앉은 상태가 된다. 여기에다 다른 물체를 얹어 놓으면, 그 물체는 자연히 깊이 가라앉은 중심의 물체를 향해 떨어져 내려간다. 이렇게 깊이 빠진 바닥에서 나오려면 어느 정도 이상의 속도를 지녀야 한다.

 

그렇지 않으면 도중에 에너지가 없어지는 바람에 다시 바닥으로 떨어지게 된다. 밖으로 나올 수 있는 최저의 속도를 "탈출 속도"라 한다. 가라앉은 깊이가 지나치게 커지면 탈출 속도가 광속도를 넘게 된다. 그러나 모든 물체는 빛보다 빨리 움직일 수가 없으므로 이 깊은 수렁에서는 이제 어떤 것도 빠져 나올 수가 없다.

이와 같은 상태가 바로 "블랙홀"이며, 물체가 빨려들어갑니다. 빨려들어간 물체는 웜홀을 지나 화이트홀로 나오게 되는 것이다.

(만약 그�까지 물체가 그 모양을 유지한다면 말이죠. 중력이 무한대이므로 거의 원자정도의 크기로...)

 

한마디로 블랙홀이 빨아들이기만 한다면 에너지보존법칙에 위배되므로, 블랙홀과 연결되어있는 화이트홀에서 나올 것으로 가정한 것이다. (과학자들은 웜홀을 지나 화이트홀로 나오면 다른 우주와 연결되어 있을지도 모른다는 이론을 제시하였다.)

 

2) 블랙홀의 존재이론

블랙홀은 1783년 이미 영국의 미첼이 질량 주변에서 빛이 휠 수 있다는 가능성에 대해 논했고, 아인슈타인의 일반상대성이론의 의해 그 존재를 밝히고 있다.

1915년 아인슈타인은 뉴턴 역학의 모순을 해결한 일반상대성이론을 제창하였다.
뉴턴 역학에서는 중력을 힘의 크기와 방향으로 나타내는 데 비해 일반 상대성이론에서는 중력을 4차원 시공의 기하학구조의 왜곡으로써 나타내고 있다.

 

뉴턴 이후의 물리학에서는 물질 시간공간은 서로 무관한 존재로 알고 있었다.

그러나 아인슈타인은 "시공간"의 개념을 바탕으로 이들 모순을 완전히 해결하였다.

 

즉, 물질이 있으면 반드시 중력이 작용하며 또 중력에 의해 시간과 공간이 영향을 받는다고 생각했던 것이다.
그래서 그는 시간과 공간과 중력을 통일한 하나의 이론을 확립하였다.

1916년, 독일의 수학자 슈바르츠실트는 구면 대칭인 진공상태에 일반상대성이론을 적용시켜 아인슈타인의 중력장 방정식의 해를 처음 발견하였다. 이것을 슈바르츠실트의 해라하며, 그 구면 의 반지름을 슈바르츠실트의 반지름이라 한다. 이 해의 성질은 다음과 같다.

슈바르츠실트 반지름 보다 안쪽에서는 빛마저도 밖으로 나올 수 없으며, 중심에는 중력이나 밀도가 무한대가 되는 "특이점"이 나타난다.
특히 빛이 밖으로 나오지 못하는 면을 "사상의 지평면"이라 한다.

아인슈타인은 슈바르츠실트의 해에 별로 흥미를 느끼지 못했다.
그것은 점이면서도 밀도나 중력이 무한대 가 되어, 물리법칙을 적용시킬 수 없는 특이점의 존재가 유도되기 때문이었다.
같은 무렵, 독일 의 수학자 바일은 비뚤어진 구면에 중력장 방정식을 적용하여 역시 특이점이 있는 제2의 해를 찾아냈다.

그러나 이들 해에 대응하는 물리현상이 실제로 존재하리라고는 당시는 아무도 믿지 않았으며, 다만 이것은 수학 상의 문제로서만 취급되었다.

1939년 미국의 이론 물리학자인 오펜하우머는 매우 무거운 별이 계속 수축해 들어가면 중성자로만 구성된 별이 된다고 예언하였다.
그리고, 특히 무거운 중성자 덩어리는 더욱 수축하여 마침내 한 점으로 집중하게 된다는 것을 이론적으로 증명하였다.

 

 

3) 블랙홀의 형성

별이 공 모양을 유지하고 있는 것은 중력과 압력이 균형을 이루고 있기 때문이다. 압력에는 한계가 있으나 중력은 무한히 강해질 수 있다. 이 때문에 중력이 매우 강한 별은 힘의 균형이 깨져, 결국 중력 붕괴를 일으키면서 수축을 계속하게 되고 마지막에는 한 점으로 집중하게 된다.

 

이 점은 밀도나 중력의 세기가 모두 무한대인 특이점이다. 이 중력 붕괴의 과정에서는 강한 중력에 의해 공간은 변형되며, 시간의 흐름은 늦어진다. 또한 별의 표면에 서 방출되는 빛의 파장은 길어져서 적색 이동을 하게 된다.
별의 반지름이 슈바르츠실트의 반지름에 도달하면 빛의 파장은 무한대가 되어, 결국 관측 불능이 된다.
별의 반지름이 슈바르츠실트의 안쪽은 바깥쪽과 매우 다른 양상을 나타낸다.

별이 슈바르츠실트 반지름 보다 작게 수축되면, 별의 표면에서 나온 빛은 슈바르츠실트 반지름의 바깥쪽에는 도달할 수 없게 된다.
외부에서는 물질이나 빛이 자유로이 안쪽으로 들어갈 수 있지만, 내부에서는 빛조차도 밖으로 나올 수 없는 "사상의 지평면"이 생긴다.
이 사상의 지평면보다 안쪽을 블랙홀이라 한다.

또한 이 사상의 지평면의 안과 밖에서는 시간과 공간의 의미가 달라진다.
사상의 지평면 밖의 시간은 미래를 향해 달릴 뿐 멈추거나 과거로 향하게 할 수는 없다.

한편 블랙홀의 내부에서는 모든 것이 특이점을 향해 진행할 뿐 특이점으로부터 멀어진다는 것은 불가능하다.
즉, 특이점으로부터의 거리(공간)가 시간의 역할을 하게 된다.

블랙홀이 회전할 경우 중력은 시간과 공간을, 중심으로 강제로 끌어들일 뿐 만 아니라, 회전축의 방향으로도 강제로 끌고 다니게 된다.
회전하는 블랙홀의 주위에는 끌고 다니는 속도가 광속을 능가하는 에르고 영역이 나타난다.

이 영역에서는 블랙홀의 회전과 반대 방향으로 빛을 방출하여도 빛은 그 방향으로 진행할 수가 없다.
시공은 시간 1차원, 공간 3차원의 4 차원적인 존재인데, 여기서는 적도면의 단면을 고려하여 공간의 2차원 변화 모습을 시간의 흐름에 따라 표시하고 있다.

청색초거성 단계에 있는 거대 질량의 별의 공간은 일그러짐이 없이 평탄하다.
그 청색 거성이 중력을 견디다 못해 급격하게 수축을 시작할 때, 수축 속도는 중심부가 가장 빠르다.
중심부에는 대질량이 집중하기 때문에 중력이 강해져 공간은 일그러지기 시작한다.
수축이 한없이 계속되면서 질량도 보다 작은 영역으로 집중하게 되므로, 공간의 일그러짐도 커진다.

공간이 충분히 일그러지면'사상의 지평면이 발생하는데 그 안쪽에서는 공간이 초광속으로 중심을 향하여 낙하하기 때문에, 빛은 외부에 도달할 수 없게 된다.

이렇게 하여 매우 일그러진 공간 상태인 블랙홀이 형성되는 것이다.

 

3 . 블랙홀의 특징

 

물체를 극한까지 압축시키면 어떠한 질량의 물체라도 블랙홀이 된다. 예를 들어 태양을 반지름 3㎞가량, 지구를 반지름 1㎝ 가량으로 압축시키면 가가 블랙홀이 된다. 그러나 현실적으로는 질량이 태양의 수십 배 이상인 별만이 블랙홀이 될 수 있다.

별의 중심에서는 핵융합 반응에 의해 엄청난 양의 열이 만들어진다.
이 열에 의한 팽창력과 별 자체의 중력에 의한 수축력이 평형을 이 룸으로써 별은 일정한 모습을 유지한다.

그러나 핵연료를 다 써 버리면 별은 중력 때문에 수축하기 시작한다. 이것이 별의 최후이다. 질량이 태양과 비슷한 별에서는 원자와 원자가 빈틈없이 메 꾸어지는 단계에서 수축이 멈춘다. 이런 상태까지 수축한 별이 "백색왜성"이다. 그러나 질량이 태양의 10배 가량인 별에서는 "초신성폭발"을 일으키는 바람에 대부분의 구성 물질이 날아가고 중심에 "중성자별"이 형성된다.

중성자별은 백색왜성 보다 더욱, 다시 말해 원자핵끼리 맞닿을 정도까지 수축한 별이다. 반지름은 대개 10㎞까지 수축하게 된다.
그러나 중성자별도 태양 질량의 3배 이상을 지탱하지는 못한다. 질량이 태양의 수십 배 이상인 별이 초신성 폭발을 일으키면, 바깥 부분의 물질이 날아간 수 그 중심에는 태양 질량의 3배 이상인 핵이 남는다. 이것이 블랙홀이 된다.

블랙홀에서는 빛도 빠져 나오지 못하므로 블랙홀 자체를 볼 수는 없다. 그렇다면 어떻게 하여 블랙홀을 찾아 낼 것인가? 블랙홀의 특징은 질량은 크지만 덩치가 작다는 것이다. 그와 같은 천체를 찾는데 에는 X선 관측이 적합하다.

밤하늘에 보이는 별들은 절반쯤이 두 별이 서로의 주위를 도 는 "연성"이다. 블랙홀이나 중성자별처럼 작은 크기로 수축된 천체가 보통의 별과 연성을 이루고 있으면, 보통의 별에서 수축된 천체로 물질이 흘러 들어가게 된다. 이 물질은 수축된 천체를 중심으로 하여 소용돌이치는 "애크리션 디스크"(블랙홀이 보통의 별과 연성을 형성하고 있으면, 상대 방 별의 가스는 블랙홀로 빨려 들어간다. 빨려 들어간 가스는 블랙홀의 주위에 디스크와 같은 모 양의 가스 구름을 형성한다.)를 형성한다.

애크리션 디스크 안의 물질은 서로 마찰되어 뜨거워지는데, 블랙홀이나 중성자별 근처에서는 1000만℃ 가지 가열되어 X선이 방출된다.
애크리션 디스크의 온도는 중심 천체가 어느 정도로 수축하였는가에 따라 결정된다.

또한 X선으로 밝게 빛나는 연성의 대부분은 애크리션 디스크의 중심에 블랙홀이나 중성자별이 있다고 생각해도 된다.
밝은 X선 연성 등에서 블랙홀과 중성자별을 구별하려면 어떻게 하면 될 것인가? X선을 방출하고 있는 천체의 질량을 구하면 된다.
만일 그 천체의 질량이 태양 질량의 3배 이상이라면 블랙홀로 볼 수 있다.
질량이 태양의 3배 이상이고 거의 블랙홀일 것으로 인정되고 있는 X선 연성은 "백조자리 X-1"을 비롯하여 이제까지 넷이 알려져 있다.

1) 거대 질량인 별의 마지막 모습은 블랙홀이다.
2) 블랙홀은 도는 가스 원반이다.
3) 블랙홀은 화이트 홀과 웜홀의 존재를 예견한다.
4) 블랙홀은 세 가지 물리량 밖에 없는 단순한 천체이다.
5) 블랙홀은 계속 자라다 결국 사라진다.

 

[참고]독일 하이델베르크 막스플랑크연구소의 알무데나 프리에토 박사는 <애스트로노미컬 저널> 10월호에 “유럽남부천문대(ESO) 망원경으로 은하 NGC 1097의 중심부에서 물질들이 블랙홀로 나선모양으로 빠져들어가는 정밀한 장면을 촬영하는 데 처음으로 성공했다”고 밝히면서 블랙홀 사진을 공개했다.
NGC 1097 은하는 남쪽 하늘의 ‘화학로자리’(포낵스)에 지구에서 4500만광년 떨어진 곳에 있는 비교적 밝은 막대나선은하로, 지난해 12월 발견됐다. 이 은하는 표준보다 더 많은 에너지를 방출해 중심에 블랙홀이 있는 것으로 추정됐다.

공동연구자인 위톨드 마시에스키 옥스퍼드대 교수는 “이번 관찰은 천문학자들에게 은하 속에 숨어 있던 초중량 블랙홀이 어떻게 먹이를 먹는지를 알 수 있게 해준다”고 말했다.

사진은 은하의 핵과 은하 중심에서 1300광년 거리까지 뻗어 있는 ‘중심 나선 팔’, 항성생성 고리 등을 보여주고 있다.

* 스티븐 호킹 교수가 블랙홀 이론을 뒤집는... "블랙홀은 그다지 검지 않다."는 이론을 발표했습니다. "그 동안 주위의 모든 물질을 잡아먹기만 하는 블랙홀이 "복사 형태로 에너지를 밖으로 방출한다"는 내용이었다. 이것은 흑체복사와도 비슷한데, 흑체복사란 일정한 에너지를 흡수하여 특정 온도가 되었을 때,  복사의 형태로 전자기파를 흡수하여 특정 온도가 되었을 때 복사의 형태로 전자기파를 방출한다는 것이다."

< 블랙홀 상상도 >
 
블랙홀은 밀도도 중력의 세기도 무한대인 `특이점(特異點, Singular point)'과, 그 주위의 `사상의 지평면(事象-地平面, Event horizon)'으로 형성된다. 사상의 지평면은 안쪽으로 들어가면 모든 것이 탈출할 수 없게 되는 영역의 경계면이다. 아인슈타인의 이론에서는 빛보다 빨리 진행하는 물질은 없다.
 
가령 블랙홀의 중력이 엄청나게 강하여 빛도 거기서 탈출할 수 없다면, 다른 물질 역시 거기서 탈출할 수 없다. 블랙홀의 내부로 들어간 물질은 영구히 거기에 갇히게 된다.
 
그렇다면 모든 물질이 그 곳으로 들어가 버리는 특이점이란 과연 어떠한 곳인가?
그 곳은 어떠한 방정식도 의미가 없고, 어떠한 물리의 법칙도 전혀 통용되지 않는 세계이다.
특이점으로 들어가 버리면 어떻게 되는가?
그것은 현재 전혀 알지 못하고 있다.
 
많은 천체는 회전하고 있다. 블랙홀도 회전하고 있는 것이 있다. 회전하는 블랙 홀의 안이 어떻게 되어 있는가를 알아보자. 회전하고 있는 블랙홀 주위의 공간은 일그러지고, 블랙홀 바깥쪽에 '에르고 영역(Ergo Sphere)'이라고 불리는 공간 영역이 발생한다. 에르고 영역 안에서는 공간 자체가 광속 이상의 속도로 블랙홀에 이끌려서 돌고 있기 때문에, 어떠한 운동을 하여도 블랙홀이 도는 방향으로 끌려가게 된다.
 
회전의 또 하나의 효과는 블랙홀의 표면인 사상의 지평면의 내부에 또 다른 하나의 지평면이 나타나는 일이다. 이것을 '내부 지평면'이라고 부른다. 바깥쪽의 지평면으로 들어간 물체는 반드시 안을 향해 끌려가게 되는데, 내부 지평면보다 안쪽에는 큰 원심력이 작용하고 있어서 그 안으로 들어간 물체는 반드시 중심 방향으로 낙하하지 않고 운동할 수 있다.
 
단 내부 지평면의 밖으로 되돌아갈 수는 없다. 내부 지평면 안에서의 특이점은 고리 모양으로 분포한다. 이 내부 지평면의 안쪽 영역은 다른 우주로 가는 통로로 되어 있다. 다른 우주에서는 블랙홀이 아니라 '화이트홀(White Hole)'로 나타난다. 화이트홀이란 블랙홀과는 정반대로 그 안에 머물러 있지 못하고, 반드시 바깥 세계로 밀려 나가게 되는 시공간의 영역이다.
 
따라서 내부 지평면 안으로 들어간 물체는 잠시 거기 머문 다음 급히 내부 지평면 밖으로, 그리고 화이트홀 밖으로 내던져지게 된다. 그 곳은 이전과는 다른 우주이다. 단 내부 지평면이 안정하게 존재하는지의 여부는 알지 못하고 있는데, 많은 연구자는 불안정하다고 생각하고 있다. 다른 세계로 가는 통로가 되었다고 해도 순식간에 그 문을 닫아 버릴지도 모르기 때문이다.

II. 화이트홀(White Hole)

화이트홀은 블랙홀을 시간적으로 뒤집은 것이다. 웜홀을 중심에 두고 볼 때 화이트홀은 블랙홀과 반대쪽에 있다. 그러나 과학자들은 화이트홀의 수명이 매우 짧은 것을 알아냈다. 즉 화이트홀에서는 물체(빛)의 에너지가 급격히 증가해 순식간에 블랙홀로 바뀐다는 것이다. 만약 태양만한 화이트홀이 있다면 그 수명은 1만분의 1초밖에 되지 않는다고 한다.
 
다시말해서 블랙홀과 반대되는 개념으로 블랙홀을 시간반전해서 블랙홀로 빨려들어간 천체들이 다시 빠져나오는 것이 화이트 홀이다. 사실 화이트 홀이 존재하는지는 알수없지만 만약 화이트홀이 존재한다면 그곳으로부터 빛의 속도로 가스와 천체등의 물질이 튀어나오는 것이 보일 것이다.
 
블랙 홀과 같이 모든 것을 흡수하는 세계가 있으면, 반드시 그 반대 세계가 존재한다는 것을 일반 상대성 이론은 유도하고 있다. 다시 말해 물질이 그 내부로는 절대로 들어갈 수 없는 모든 물체를 방출하는 세계가 있다는 것이다. 이것을 화이트 홀(White hale)이라고 한다.
 
그러나 화이트 홀이 어떻게 형성되는가 하는 메커니즘에 대해서는 전혀 아는 바가 없다. 블랙 홀의 명명자 휠러는, 블랙 홀과 화이트 홀의 사상의 지평선 내부를 잘라내고, 그 나머지를 연결하면 어떻게 되는가를 생각했다. 이렇게 하면, 블랙 홀에 흡입된 물질은 화이트 홀에서 방출된다. 이 때 블랙 홀의 흡입구가 있는 세계와 화이트 홀의 방출구가 있는 세계는 전혀 다른 세계이다.
 
 III. 웜홀(Worm Hole)
 
이 두세계를 연결하는 통로를 웜홀(Warm hole, 슈바르츠실트의 목, 아인슈타인-로젠의 다리)이라고 명명하였다. 웜홀은 말 그대로 시공의 벌레 먹은 구멍이라는 뜻이다.
 
최근에는, 우주의 탄생을 기술하는 대통일 이론과 일반 상대성 이론을 연결함으로서 어미 우주에서 딸 우주로, 딸 우주에서 손자 우주가 탄생된다는 다중 우주 발생의 개념이 클로즈 업되고 있다. 그리고, 다중 우주가 발생한다면 이들 우주를 연결하는 빠져 나갈 통로로서 웜홀이 자연적으로 형성된다는 것이 증명되었다.

 

웜홀
시계를 거꾸로 돌리는 웜홀
 
우주에는 중력에 의해 만들어진 세개의 구멍이 있다. 블랙홀(검은 구멍), 웜홀(벌레 구멍), 화이트홀(흰 구멍)이 바로 그것이다. 그러나 블랙홀을 제외한 나머지 두 구멍은 매우 불안정해 생겼다가도 순식간에 사라진다.
 
웜홀은 우리 우주와 다른 우주를 블랙홀이 연결하면서 생겨난다. 이 때문에 웜홀은 시간여행을 가능하게 하는 지름길로 인식되기 시작했다. 1985년 미국의 천문학자 칼 세이건은 '접촉'(Contact) 이란 소설을 쓰면서 물리학자인 킵 손에게 우주여행에 대해 자문을 구했다. 웜홀은 이때 손이 제안했던 우주여행의 지름길이다. 손이 제안한 웜홀은 입구가 회전하지 않는 블랙홀과 비슷하다. 그러나 사건의 지평선이 없으며, 들어가기도 하지만 나올 수 있다는 점이 블랙홀과 다르다. 그래서 시간여행이 용이하다.
 
웜홀을 창안했던 손은 웜홀이 매우 불안정해서 우주여행을 하기에 불편한 지름길이라는 사실을 잘 알고 있었다. 그래서 그는 웜홀에다 반중력을 보완했다. 웜홀의 두 입구가 열리고 안정된 터널을 이루고 있기 위해서 웜홀 벽을 밀고 있는 매우 특별한 물질이 필요했던 것이다. 이 물질은 중력과 반대인 성질, 즉 모든 것을 밀어내는 성질을 가지고 있어야 한다. 그러나 아직 반중력 물질을 만드는 것은 불가능하다.
 
순식간에 블랙홀로 변하는 화이트홀
 
화이트홀은 블랙홀을 시간적으로 뒤집은 것이다. 웜홀을 중심에 두고 볼 때 화이트홀은 블랙홀과 반대쪽에 있다. 그러나 과학자들은 화이트홀의 수명이 매우 짧은 것을 알아냈다. 즉 화이트홀에서는 물체(빛)의 에너지가 급격히 증가해 순식간에 블랙홀로 바뀐다는 것이다. 만약 태양만한 화이트홀이 있다면 그 수명은 1만분의 1초밖에 되지 않는다고 한다.
 
웜홀은 두 우주를 연결하는 지름길이다. 그들이 얼마나 떨어져 있는가는 문제가 되지 않는다. 공간은 굽힐 수 있기 때문에 실제거리가 얼마이든 웜홀의 길이는 일정할 수 있다. 그래서 빛의 속도로 우주여행을 하는 것보다 빨리 웜홀을 통해 공간을 이동할 수 있다. 이 말은 시간여행도 할 수 있다는 것을 의미한다.
 
지구에서 달까지의 거리는 38만4천km이지만 1m의 웜홀이 생기면 한발짝만 옮기면 달에 갈 수도 있다.
지구에서 시리우스까지는 8광년이나, 1m의 웜홀이 생긴다면 굳이 빛의 속도로 8년씩 걸려 갈 필요가 없다.