블랙홀의 형성, 기조력, 사건의 지평선

블랙홀은 질량이 매우 큰 별이 진화하는 마지막 단계에서 만들어지고, 강력한 중력으로 모든 것을 흡입하는 시공간 영역입니다. 특이점은 블랙홀의 중심인 검은 구멍이고 '사건의 지평선' 이라는 경계 안쪽을 형성하게 됩니다. 그리고 그 사건의 지평선 안에서는 탈출 속도가 빛의 속도보다 크기 때문에 빛도 우주 공간으로 빠져나올 수 없습니다. 
 

블랙홀 사진

 

블랙홀의 형성 과정

 

◼  거대한 별의 진화: 블랙홀은 일반적으로 거대한 별의 잔해에서 형성됩니다. 우리 태양보다 훨씬 큰 이 별들은 일련의 핵융합 반응을 거쳐 수소를 헬륨으로 변환한 다음 핵의 더 무거운 원소로 변환합니다. 결국 그들은 핵연료를 고갈시킵니다.

 

◼  초신성 폭발: 거대한 별이 핵연료를 모두 소진하면 더 이상 중력 붕괴로부터 스스로를 지탱할 수 없습니다. 핵은 빠르게 붕괴되어 초신성으로 알려진 치명적인 폭발로 이어집니다. 이 폭발 동안 별의 바깥층은 우주로 추방되고 핵은 남게 됩니다.

 

◼  특이점: 붕괴하는 별의 핵이 충분히 거대하다면(일반적으로 태양 질량의 약 3배 이상) 중력이 다른 모든 힘을 압도하고 핵은 더 많이 붕괴됩니다. 이 붕괴는 코어를 특이점이라고 알려진 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은 공간으로 압축합니다. 특이점에서는 물질이 무한한 밀도로 분쇄되고, 우리가 알고 있는 물리 법칙이 무너집니다.

 

◼  사건의 지평선: 코어가 붕괴되면서 사건의 지평선이라는 보이지 않는 경계가 형성됩니다. 이 경계는 돌아올 수 없는 지점을 나타내며, 그 너머에는 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나올 수 없습니다. 물체가 사건의 지평선을 넘어가면 블랙홀의 중력에 갇히게 됩니다.

 

◼  블랙홀의 유형: 블랙홀에는 거대한 별의 붕괴로 형성되는 항성질량 블랙홀과 은하 중심에서 발견되는 초대질량 블랙홀 등 다양한 유형이 있습니다. 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 달합니다. 항성질량과 초대질량 블랙홀 사이의 질량을 지닌 중간질량 블랙홀도 존재하지만, 그 형성 과정은 아직 연구 중에 있습니다.

 

◼  관찰 증거: 블랙홀 자체는 빛을 방출하지 않기 때문에 직접 관찰할 수는 없지만 근처의 물질과 빛에 미치는 영향을 통해 블랙홀의 존재를 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 주변 별과 가스에 대한 블랙홀의 중력 효과와 블랙홀에 떨어지는 물질에서 X선 방출을 관찰할 수 있는 것입니다. 전반적으로 블랙홀의 형성은 거대한 별의 생애 마지막에 발생하는 매혹적인 과정으로, 우주에서 가장 극단적인 물체가 생성되는 과정입니다.
 

 

기조력

 

블랙홀의 조석력은 블랙홀이 물체나 물체에 접근하는 관찰자에게 가하는 중력을 말합니다. 이 힘은 블랙홀 근처의 강렬한 중력장에서 발생하며 근처 물체에 극적인 영향을 미칠 수 있습니다.

 

◼ 중력 기울기: 조석력은 물체의 길이에 따른 중력 변화의 결과로 블랙홀 근처에서 블랙홀에 가장 가까운 물체 쪽이 받는 중력은 멀리 있는 쪽이 받는 중력보다 훨씬 더 강합니다. 물체의 길이에 따른 중력의 변화는 조석력을 초래합니다.

 

◼  신축 및 압축: 물체가 블랙홀에 접근하면 조수력으로 인해 길이에 따라 늘어나거나 압축될 수 있습니다. 조석력이 충분히 강하면 물체가 늘어나서 물체가 찢어지거나 파손될 수 있습니다. 이 현상을 조수 붕괴라고 합니다.

 

◼  국수현상: 극단적인 경우 블랙홀 근처의 조석력이 너무 강해서 국수 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 별이나 우주선 전체와 같은 물체가 블랙홀에 너무 가까이 지나갈 때 발생합니다. 조수력은 국수가닥이 가늘어지고 늘어나는 것과 비슷하게 물체를 길이를 따라 늘립니다. 그러한 경우, 물체는 엄청난 중력에 의해 찢어질 수 있습니다.

 

◼  사건의 지평선과 특이점: 조석력의 강도는 블랙홀로부터의 거리에 따라 달라집니다. 물체가 사건의 지평선(그 너머에는 블랙홀의 중력에서 벗어날 수 없는 경계)에 접근함에 따라 조석력은 무한히 강해집니다.

 

◼  조석 효과 감지: 천문학자들은 근처에 있는 별, 가스 및 기타 물질의 동작을 연구하여 블랙홀 근처의 물체에 대한 조석력의 효과를 관찰할 수 있습니다. 초대질량 블랙홀에 의한 별의 조수 붕괴는 방사선 플레어 및 X선 방출과 같은 관측 가능한 특징을 생성할 수 있습니다. 

 

사건의 지평선

사건의 지평선은 블랙홀을 정의하는 특징으로, 그 너머에는 빛조차도 블랙홀의 중력에서 벗어날 수 없는 경계를 표시합니다.

 

• 정의: 사건의 지평선은 블랙홀을 둘러싼 구형 경계입니다. 그것은 그것을 건너는 어떤 것도 돌아올 수 없는 지점입니다. 물체나 방사선이 사건의 지평선 너머로 지나가면, 그것은 빠져나갈 가능성 없이 그 중심에 있는 블랙홀속으로 가차 없이 끌려갑니다.
• 형성: 사건의 지평선에서는 중력의 당기는 힘이 너무 강해져서 탈출 속도(물체가 중력의 당기는 힘을 극복하는 데 필요한 속도)가 빛의 속도를 초과합니다. 빛보다 빠른 속도로 이동할 수 있는 것은 없기 때문에 사건의 지평선을 가로지르는 모든 것은 사실상 블랙홀 안에 갇히게 됩니다.
• 크기: 회전하지 않는(정적) 블랙홀의 경우 사건 지평선은 슈바르츠실트 반경으로 알려진 반경을 갖는 구형 표면이며, 이는 블랙홀의 질량에 정비례합니다. 블랙홀의 질량이 클수록 사건의 지평선이 커집니다.
• 직접 관찰 금지: 사건의 지평선 자체는 빛이나 다른 방사선이 빠져나올 수 없기 때문에 직접 관찰할 수 없습니다. 그러나 천문학자들은 블랙홀이 근처의 물질과 빛에 미치는 영향을 관찰함으로써 블랙홀의 존재를 추론할 수 있습니다.
• 호킹 복사: 이론 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)에 따르면 블랙홀은 호킹 복사라고 알려진 희미한 형태의 복사를 방출할 수 있습니다. 이 방사선은 입자-반입자 쌍이 생성되는 사건의 지평선 근처의 양자 효과에서 발생하는 것으로 생각되며, 한 입자는 블랙홀로 떨어지고 다른 입자는 우주로 빠져나갑니다. 시간이 지남에 따라 이 과정은 블랙홀의 느린 증발로 이어집니다.