눈에 보이지는 않지만 실제로 존재하는 그 무언가를 우리는 과학적으로 증명할 수 있다. 우종학 교수의 블랙홀 강의 책 내용을 소개한다. 물리학적인 접근을 일반인들인 독자들이 쉽게 이해하도록 설명한다.
책 내용
블랙홀이란 것은 중력이 너무 강해서 광선이나 물체가 탈출할 수 없는 것이다. 그 크기는 질량에 비례한다. 질량이 커질수록 반지름도 커진다. 블랙홀은 매우 큰 질량을 가진 별의 핵이 충돌해 겹치면서 형성된다. 블랙홀은 중력이 너무 강하기 때문에 물체가 끌려들어 가면서 탄생한다. 블랙홀의 특성을 설명해 보겠다. 블랙홀은 극도로 중력이 강하다. 시공간을 왜곡시킨다. 광선을 포획한다. 질량을 흡수한다. 블랙홀과 우주에 관한 개념을 설명해 보겠다. 블랙홀은 우주에서 매우 중요한 역할이 있다. 우주 탐사와 인류의 우주 개척에도 큰 영향을 미치고 있다. 블랙홀의 미래는 어떻게 될 것인가 이야기하겠다. 블랙홀 연구는 여전히 많은 이슈가 있는 상태이다. 블랙홀은 우주 개척에 있어서 중요한 문제로 항상 내두 된다. 우주 개척과 관련된 다양한 분야에서 앞으로 활용될 것으로 보인다. 우주 공간에서 블랙홀과 마주친다면 어떻게 될 것인가 설명해 보겠다. 우주 공간에서 블랙홀과 마주친다면 아마도 매우 위험한 상황이 벌어질 것이다. 블랙홀은 극도로 중력이 강하고 시공간을 왜곡시키기 때문에 주변의 물체들을 흡수하거나 그들의 궤도를 왜곡시킨다. 만약 우주선이나 인간이 블랙홀에 가까이 다가간다면 그들도 마찬가지로 블랙홀에 중력에 흡수되거나 궤도가 왜곡되어 우주 공간에서 떠다니게 될 것이다. 따라서 블랙홀과 마주친다면 우주선이나 인간은 블랙홀에서 최대한 멀리 떨어져서 안전한 거리에서 머물러야 한다. 블랙홀에 힘과 위험성을 이해하고 그와의 거리를 적절하게 유지하는 것이 중요하다.
크기와 힘
우주에는 다양한 천체들이 존재한다. 별 행성은하 그리고 블랙홀 등이 있다. 그중에서도 블랙홀은 가장 놀라운 힘과 크기를 지니고 있다. 블랙홀은 충분히 큰 질량이 모여서 만들어지는 천체로 그 크기와 질량이 매우 매우 거대하다. 이 글을 통해 블랙홀에 크기와 힘 그리고 시간의 차이 등을 살펴볼 수 있다. 먼저 블랙홀의 크기에 대하여 이야기하겠다. 블랙홀은 자신의 질량에 의해 광선을 포획할 수 있는 경계를 갖고 있는데 이를 사건 지평선이라고 한다. 사건 지평선 안으로 물체가 들어가면 더 이상 탈출할 수 없게 된다. 이 사건 지평선의 크기는 블랙홀의 질량에 비례한다. 따라서 질량이 작은 블랙홀은 작은 지평선을 가지고 있고 큰 질량의 블랙홀은 큰 사건 지평선을 가지게 된다. 블랙홀의 힘에 대해 알아보자 블랙홀은 자신의 질량에 의해 매우 강한 중력장을 만들어낼 수 있다. 이 중력장은 주변의 물체를 끌어들여서 블랙홀 주변에는 물체들은 블랙홀로 끌어들여가게 된다. 또한 블랙홀은 중심부에 더 많은 질량이 모여있기 때문에 중심부에서는 중력장이 더 강력하게 발휘된다. 그러한 힘 때문에 블랙홀은 주변에 물질을 끌어들여서 매우 밝은 광원을 만들어낼 수도 있다. 블랙홀에서의 시간 차이가 아주 흥미롭다. 블랙홀은 매우 강한 중력장을 만들어내기 때문에 시간의 흐름도 느려지게 된다. 블랙홀은 강력한 중력장 때문에 시공간 구조를 왜곡시키고 시간의 경과도 왜곡시키게 된다. 이것이 아인슈타인의 일반상대성이론에 처음 제시되었다. 블랙홀의 중력장은 매우 큰 압력이라 빛조차도 블랙홀의 영향에서 벗어날 수가 없다. 따라서 블랙홀의 사건 지평선 안으로 들어가면 시공간의 왜곡이 극도로 심해지게 된다. 이러한 외곡에 따라 시간의 경과도 블랙홀 근처에서는 느리게 된다. 이것은 상대성 이론에서 설명되는 시공간 곡률에 의한 것이다. 블랙홀의 중심으로 가까이 갈수록 중력장이 강해지기 때문에 시공간의 뒤틀리고 곡률이 커진다. 그 곡률이 크면 클수록 시간의 경과가 느려지게 된다. 따라서 블랙홀 근처에서는 시간에 느리게 흐르며 내부로 들어가면 시간은 멈추게 된다. 이러한 블랙홀의 시공간 외곡 현상이 매우 실제적인 응용 부위냐에서 사용된다. 예를 들면 위성의 경로나 지구의 중력장에 따른 시간차이를 고려해서 정확한 시간 측정이 필요한 GPS 시스템에서는 상대성 이론을 적용한다. 또한 우주여행이나 블랙홀 탐사를 위한 연구에서도 중요한 역할을 하게 된다.
연구
실험이 불가능한 우주에서 블랙홀을 직접적으로 연구하고 실험하는 것은 매우 어렵다. 그렇지만 블랙홀을 연구하기 위해 많은 간접적인 방법들이 사용되고 있다. 첫째는 블랙홀 근처에서의 물체의 운동을 관측하여 블랙홀의 존재와 특성을 연구할 수 있다. 예를 들자면 블랙홀 근처의 물체들은 블랙홀의 중력에 의해 궤도를 돌며 운동하게 된다. 이러한 운동경로 속도 가속도 등을 측정하고 분석하여 블랙홀의 질량 회전 속도 스핀 등을 알아낼 수 있다. 둘째로 블랙홀이 빛의 왜곡시키는 현상을 이용하여 블랙홀을 연구할 수가 있다. 블랙홀 근처를 지나가는 빛은 블랙홀의 중력장에 의해 경로가 굽어지게 된다. 이러한 빛의 경로를 측정하고 분석하여 블랙홀의 질량 회전속도 스핀 등을 알아낼 수가 있다. 셋째로 블랙홀의 효과를 시뮬레이션하여 연구할 수가 있다. 블랙홀 주변의 운동을 시뮬레이션하고 이를 통해 블랙홀의 특성을 알아낼 수 있는 방법이다. 시뮬레이션 연구를 통해 블랙홀이 우주에서 물리 현상에 미치는 영향이나 블랙홀이 형성되는 과정 등을 연구할 수가 있다. 끝으로 우주탐사를 통해 블랙홀을 탐사하고 연구할 수가 있다. 우주 탐사선을 이용하여 블랙홀 근처를 지나가거나 블랙홀에 직접적인 관찰을 시도할 수가 있다. 이러한 우주 탐사를 통해 블랙홀의 질량 회전 속도 스피닝을 직접적으로 측정하고 분석할 수 있다. 블랙홀 연구는 우주 탐사 분야에서 아주 큰 역할을 하고 있다. 현재 우주 탐사선과 인공위성의 발전으로 우주탐사가 더욱 진보하고 있다. 이러한 연구를 통해 기술을 발전시키면서 우주 탐사 분야에서 더욱 효과적인 연구와 발전을 가능하게 할 수 있다. 또한 블랙홀 연구는 정보기술 분야에서의 응용이 가능하다. 블랙홀은 굉장히 복잡한 현상이 있다. 이러한 현상들을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 모델링하고 연구함으로써 정보기술 분야에 큰 의미를 가지게 된다. 물리학 분야에서의 응용을 설명해 보겠다. 여러 가지 연구를 바탕으로 정확한 물리학 모델을 개발할 수 있고 다양한 산업 분야에서의 응용도 가능하다. 또한 에너지 분야의 응용을 할 수 있다. 블랙홀이 무게에 비해 엄청난 양의 에너지를 방출하는데 이런 것을 활용하면 새로운 에너지원으로서 활용할 수가 있다. 그래서 이를 통해서 블랙홀을 통한 신재생에너지의 개발이 가능할 수 있다.
