블랙홀과 초신성

 

블랙홀

블랙홀은 질량이 큰 별이 소멸할 때 생깁니다. 죽어가는 별은 붕괴되어 점점 작아지고 밀도는 점점 커져 결국 크기는 없지만 밀도가 무한히 큰 하나의 점으로 압축됩니다. 그 점은 특이점이라 하는데, 밀도가 매우 커서 빛조차 특이점의 중력을 빠져나갈 수 없다고 합니다. 블랙홀 주변의 모든 것은 암흑 속으로 빨려 들어가게 되는 것입니다. 

로켓이 우주 공간으로 발사될 때 지구의 중력을 벗어나려면 충분히 빠른 속도로 탈출해야 하는데, 적절한 속도에 이르지 못하면 지상으로 떨어져 버립니다. 블랙홀의 중력은 매우 강력해서 블랙홀을 빠져나가려면 탈출 속도가 빛의 속도보다 굉장히 빨라야 합니다. 하지만 빛보다 빨리 이동할 수 있습니다. 결국, 아무것도 블랙홀을 빠져나갈 수는 없는 것입니다. 탈출 속도가 빛의 속도가 되는 특이점 주변 경계선을 우리는 '사건의 지평선'이라 부르게 됩니다. 사건의 지평선 안쪽으로 떨어지는 것은 모두 특이점으로 빨려 들어가게 되는 것입니다. 

물론 이것은 모두 이론에 불과합니다. 블랙홀은 어떤 빛도 방출하지 않으므로 눈으로 블랙홀을 볼 수는 없습니다. 우리가 블랙홀의 존재를 알 수 있는 것은 블랙홀의 질량에 작용하는 다른 천체들이 있기 때문입니다. 블랙홀은 밀도가 아주 높아서 빛도 휘어지게 할 수 있습니다. 그 효과에 의해 지구에서 과학자들이 관측할 때 하나의 별이 여러 개의 이미지로 보일 수 있으며 그 별과 지구 사이 어딘가에 블랙홀이 있다고 유추할 수 있습니다. 

블랙홀은 물리학자들에게 수수께끼라고 합니다. 에너지가 생성되거나 파괴될 수 없다는 양자 역학 법칙을 거스르는 것처럼 보이기 때문입니다. 블랙홀의 중심으로 빨려 들어간 빛은 무한히 작은 공간에 쑤셔 넣어지기 때문에 파괴되는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 빛이 어떻게든 보존이 된다면 언젠가는 빠져나갈 수 있지 않을까 하는데요, 그렇다면 블랙홀이 거꾸로 작용하는 것이 과연 가능할지 의문입니다. 이 물음은 아직까지도 천체물리학의 풀리지 않은 문제로 남아있습니다. 

블랙홀이 우주의 모든 에너지를 흡수한다고 믿을 만한 이유는 없습니다. 블랙홀은 오로지 사건의 지평선을 넘어오는 천체만 잡아당긴다고 합니다. 

알베르트 아인슈타인은 양자물리학 법칙을 거부하면서 "신은 우주를 가지고 주사위 놀이를 하지 않는다."라고 말했습니다. 현대 이론물리학자 스티븐 호킹은 블랙홀을 가리켜 이렇게 말합니다. "신은 그저 주사위 놀이만 하는 것이 아니다. 가끔은 안 보이는 곳으로 주사위를 던진다."

만약 우리가 블랙홀의 사건의 지평선을 넘어가려고 한다면 외부에서 우리를 관찰하는 사람이 보기에는 우리가 움직이는 속도가 점점 느려져서 결코 사건의 지평선에 도달하지 못하는 것처럼 보일 것입니다. 이것은 블랙홀의 중력이 엄청나게 크기 때문에 생기는 착시 현상입니다. 블랙홀은 우리에게서 방출되는 빛을 빨아들입니다. 즉 빛이 외부 관찰자에게 도달하는 데 걸리는 시간이 점점 길어짐을 의미합니다. 하지만 우리의 관점에서 보면 우리는 사건의 지평선을 건넌 것이고, 특이점에서 짓눌러져서 죽음에 이르기까지 특별한 일은 아무것도 일어나지 않습니다. 

 

초신성 

별들은 대부분 핵융합을 통해 에너지를 모두 소모하면서 조용히 소멸한다고 합니다. 별의 99프로는 백색왜성이라 불리는 흐릿한 천체로 서서히 변합니다. 그러나 별이 매우 크고 뜨겁다면 알맞은 조건이 갖춰졌을 때 폭발하게 됩니다. 이 폭발을 초신성이라고 합니다. 

별은 원소들을 융합해 에너지를 생산합니다. 별의 무게 때문에 생긴 중력은 산소, 실리콘, 인, 칼슘의 형성을 일으킵니다. 온갖 무거운 원소들이 생성되다가 마지막 단계인 철에 이르면 핵융합이 멈춥니다. 철을 융합해서 훨씬 더 무거운 원소를 만들어내는 과정은 에너지를 생산하는 것이 아니라 오히려 소모하기도 합니다. 이제 별은 더 이상 연료가 남아 있지 않으므로 철로 된 별의 중심부는 자체 중력에 의해 계속 수축합니다. 질량이 매우 큰 별은 수축해서 블랙홀이 되지만 크기가 태야의 5에서 8배인 비교적 소형의 별은 폭발할 것입니다. 

초신성이 일어나는 시간은 15초도 안 됩니다. 초신성은 워낙 밝아서 별 하나가 폭발해서 생기는 빛은 수개원 동안 지속되며 은하 전체의 밝기보다 더 밝습니다. 초신성은 수은 , 금, 은 등 훨씬 더 무거운 원소를 생성할 수 있는 열을 내기도 합니다. 

빅뱅이론에서는 지구사의 생명체가 초신성 덕분에 존재한다고 말합니다. 산소보다 무거운 원소들은 모두 과거에 거대한 별이 폭발해서 생겼다는 것입니다. 우리가 먹는 바나나에 들어 있는 칼륨은 카리브 해의 한 섬에서 기원한 것이 아니라 아마 오래전 초신성에서 만들어졌을 것입니다. 

1006년에 매우 밝은 초신성이 이집트. 이라크 . 이탈리아, 스위스, 중국, 일본 그리고 프랑스와 시리아에서 관찰되었다고 합니다. 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이(1564년~1642년)는 1604년에 일어난 초신성을 이용해 우주는 결코 변하지 않는다는 아리스토텔레스의 이론을 반박하기도 합니다. 마지막으로 우라늄 같은 방사능 원소도 초신성에서 형성됩니다.