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천문학

블랙홀에 대해 알아보기

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블랙홀(Black hole)은 극도로 높은 중력으로 인해 사건의 지평선이 형성된 검은색 구형 천체를 말합니다.
탈출 속도가 광속을 넘어버렸기 때문에 빛을 포함한 그 어떤 물체도 내부로부터 탈출할 수 없어 블랙홀이라는 이름이 붙었습니다.



블랙홀이 생기는 이유 첫 번째
종종 중성자별들끼리 충돌하여 블랙홀이 형성되기도 합니다.
자체 중력만으로는 블랙홀이 될 수 없는 질량을 가지고 있지만
이웃한 다른 중성자별과 충돌하면 이 한계 질량을 돌파하여 블랙홀로 수축하게 됩니다.
이 과정에서 감마선 폭발과 중력파가 발생하여 블랙홀이 되기도 합니다.


블랙홀이 생기는 이유 두 번째
항성은 막대한 질량을 가지고 있는 천체입니다.
늘 중력에 의해 천문학적인 압력으로 쥐어짜여지고 있습니다.
내부에서 핵융합 반응을 일으키며, 핵융합으로 발생하는 막대한 에너지가
중력에 저항해 반대로 항성을 팽창시키기 때문에 항성은 중력의 쥐어짜기는 힘에 의해 붕괴되지 않는다고 합니다.

항성은 일생동안 수소를 핵융합 반응의 주 연료로 소모하는데,
이 과정에서 그 산물인 헬륨이 계속해서 발생하게 됩니다.
헬륨 핵융합을 일으키기 위한 온도와 압력은 수소보다 훨씬 더 높아
항성은 당장 소모가 불가능한 이 헬륨을 중심부에 쌓아두게 됩니다.
헬륨의 비중이 증가하면서 항성의 중심핵은 수축하여 더 큰 압력을 받게 되고 이 과정에서 항성의 수소 핵융합 반응은 점차 가속됩니다.
여기서 에너지에 의해 항성은 점차 부풀게 됩니다. 


중심핵이 충분한 온도와 압력에 도달하면 다음 단계인 헬륨 핵융합이 시작됩니다.
시작된 직후에는 안정을 되찾아 반지름과 광도가 감소하게 되며
항성은 매우 풍부한 수소와는 달리 양이 적은 헬륨을 태우고 있으며
훨씬 빠른 에너지 소모율을 가지고 있어 얼마 가지 않아 중심부의 연료는 바닥나게 되고 항성은 다시 부풀어 오르게 되어 점근 거성 단계에 진입합니다.
밀도가 상당히 낮아지므로 스스로의 질량을 항성풍 형태로 빠르게 우주로 날려버리게 됩니다.

질량이 무거운 항성들은 중력이 충분하기 때문에 탄소, 산소, 네온, 규소와 같은 더 무거운 원소들을 연료로 사용하여 핵융합하기 시작합니다.
마지막으로 철이 생성되는데 이 단계에서 항성 핵융합은 한계에 봉착하게 됩니다.
이전의 원소들과는 달리 철을 핵융합시키기 위해서는 반대로 에너지를 흡수시켜야 하기 때문입니다.

철이 암 덩어리같이 쌓이면서 더 이상 중력에 저항할 수 없는 지경에 이르는데,
파울리의 배타 원리에 따르면, 두 개 이상의 페르미온은 같은 양자 상태에 있을 수 없는데, 중요한 것은 전자도 페르미온이라는 것이다.
쉽게 말해 강한 중력에 의해 원자가 압력을 받더라도 원자 내부의 전자들이 이러한 중력 붕괴에 저항한다는 것이다.
이를 전자 축퇴압이라고 한다.

중심핵의 질량이 중성자 축퇴압으로조차 버틸 수 없을 정도로 무겁다면 더 이상 그 어떤 힘도 중력 붕괴를 막을 수 없게 됩니다.
결국 항성은 끝없이 쭈그러들다가 결국 자기 자신의 사건의 지평선에 잡아먹히게 되며 블랙홀이 된다고 합니다.



블랙홀의 죽음
블랙홀에도 수명은 존재합니다. 
질량을 잃으면서 블랙홀은 조금씩 밝아지기 시작하며, 거의 마지막에 증발이 심해져서 창백하게 빛나며 높은 에너지의 감마선과 소립자를 방출합니다.
마지막에는 감마선 폭발이라고 해도 될 정도로 격렬하게 감마선을 방출하면서 증발하고는 소멸합니다.
다만 일반적으로 알려져 있는 블랙홀들이 이 폭발까지 도달하려면 매우 오랜 시간이 걸린다고 합니다.



만약 블랙홀에 들어간다면?
자유 낙하하는 물체는 '무중력' 상태가 됩니다.
블랙홀의 질량에 영향을 받지 않는 발판에 서 있다면 몸무게가 약 6만 배로 증가하기 때문에,
버티지 못하고 뼈와 살이 분리되어 바닥에 널브러질 것입니다..
하지만 블랙홀로 '떨어지고 있다면' 몸무게는 0kg입니다.
하지만 사람이 죽게 되는 원인은 블랙홀의 특이점에 지나치게 다가가서 조석력에 의해 분해되기 때문입니다.

조석력으로 죽는 이유는 특이점으로 다가갈수록 중력의 방향이 곡선을 띠기 때문인데
촛불 하나를 놓고 1m 앞에 서 있는다면 빛을 가장 잘 받는 부분인 허리가 가장 밝고 머리와 발끝은 어둡게 되는 원리입니다.
블랙홀 또한 특이점으로 다가갈수록 물체의 끝과 끝에서 받는 중력의 힘이 차이가 나므로,
허리 부분이 더욱 강하게 중력 가속도를 받다가 결국 끊어지게 된다고 합니다.

그리고 태양과 질량이 비슷한 블랙홀이라면 사건의 지평선을 건너기 전에 조석력의 영향으로 죽게 되며,
만약 사건의 지평선 바로 위로 텔레포트하더라도 1/100,000초란 시간 안에 조각나서 죽을 것입니다.


사건의 지평선은 블랙홀의 질량에 비례하지만 중력은 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 일어나는 현상입니다.
블랙홀의 질량이 충분히 클 경우 사건의 지평선 안쪽으로 빠져들고 나서도 조석력(기조력)의 영향으로
사물이 파괴될 때까지 한참을 더 떨어져야 하는 것. 물론 특이점에 도달하여 특이점과 충돌하게 되면 사망에 이르게 됩니다.

한마디로 살아 나올 수 없다고 합니다.

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