Transcript 블랙홀이란 무엇인가?

블랙홀, 아인슈타인, 그리고
중력파
피터 솔슨
시라큐스 대학
LIGO-G1000559-v1
은하수 중심에서의 미스터리
- UCLA의 천문학자 안드레아
게즈, 우리 은하 중심 (은하수)
에 대한 적외선 관측 수행.
- 옆의 그림은 1995년부터
현재까지 별의 위치에 대한
그녀의 관측 동영상.
- 별들이 어떤 보이지 않는
물체 주위로 궤도운동을 하는
것에 주목하라.
- 이 궤도로부터 그 보이지
않는 물체의 질량을 결정할 수
있는데, 그 질량은 무려 태양
질량의 4백만 배나 된다!
- 이 물체는 블랙홀인가?
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블랙홀이란 무엇인가?
- 태양의 모든 질량을 압축해서 직경 4마일(~6.4 km)의
공 속에 밀어 넣는다고 해보자.
- 만약 여러분이 이런 일을 할 수 있다고 한다면, 이
물체는 과연 어떤 상태가 될까?
- 표면의 중력은 아마 너무나도 강해서 아무것도,
심지어 빛조차도 빠져나갈 수 없다.
- 한 번 이런 상태가 발생하면, 중력은 또한 너무나도
강해 그 어떤 힘도 이 별이 자체의 무게에 의해
완전히 붕괴하는 것을 막을 수 없다.
- 이 물체는 최종적으로 원래의 질량 모두를 담는 한
점(!)으로 되는 것이다.
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블랙홀은 위협적인 것인가?
- 블랙홀은 우주에 있는 모든 것을 잡아먹을 것인가?
- 아니다.(No.)
- 블랙홀의 강한 중력은 이 블랙홀과 매우 가까운
곳에서만 강하다.
- 사건 지평면은 별의 표면을 나타내는 유령과 같은
곡면인데, 별 표면에서 빛이 탈출 할 수 없게 되기
시작하는 거리에 있다. 이런 별에서 더 멀어지면 중력은
약해져서 마치 보통의 다른 물체에서처럼 점점
약해진다.
- 만약 태양이 갑자기 블랙홀이 된다면, 지구 정도
거리에서의 중력은 아마도 변함이 없을 것이고 우리
지구는 예전과 다르지 않게 궤도운동을 할 것이다.
(물론, 우리는 햇빛이 그리워 지겠죠…!)
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블랙홀은 흥미롭다!
- 블랙홀은 상상할 수 있는 가장 극단적인 형태의 한
물질로 이루어져 있다. 너무나 밀집되어 있어서
이것은 거의 물질이 아니다. 물질을 규정하는 성질
중 남아있는 것이라고는 질량뿐이다. 유명한 표현을
빌리자면, “블랙홀은 털이 없다.” ( 개개의 고유한
특성을 갖지 않는다는 것이다.)
- 블랙홀을 이해하는 또 다른 길은 이것이 순전히
중력으로 이루어져 있다는 것이다. 즉, 아인슈타인의
용어로 표현하자면, 블랙홀은 순수한 “시-공간
곡률”로 이루어져 있다는 것이다.
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아인슈타인의 중력에
대한 관점: 일반상대론
1915년부터 알버트 아인슈타인은 중력에 대한 새로운
이론을 개발하기 시작했다.
기본적인 생각은 중력이 힘이 아니라 오히려 시공간
곡률의 표현이라는 것이다.
공간과 시간은 세계를 이루는 어떤 단순한 무대가 아니라
그 자신 어떤 성질을 갖는 것이다. 무엇보다도 그것은
“휘어질” 수 있는데, 이것이 의미하는 바는 물체가
시공간의 이러한 성질에 의해서 직선상에서 일정하게
움직이지 못할 수 있다는 것이다.
시공간 곡률은 질량에 의해 만들어진다.
그러므로, 일반상대론은 중력을 포함하며, 더구나 이것을
“설명한다.”
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물체는 시공간이 어떻게 휘어져야 할지를 말해준다.
시공간은 물체가 어떻게 움직여야 할지를 말해준다.
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블랙홀, 일반상대론의 관점에서
블랙홀 근처에서
보는 시공간
탈출 속도가 빛의
속도를 넘어가는
영역에서 휘어진
시공간의 기하는
극단적이 된다.
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블랙홀을 생성하는 물체의 슬픈 운명
그 어떤 힘도 블랙홀을
생성하는 물체를 지탱해 줄
수 없다. 내부에 있는 모든
물질은 하나의 점으로
붕괴한다.
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블랙홀은 정말로
저 하늘너머에 존재하는가?
블랙홀이란 개념은 참으로 별나다.
블랙홀이 정말로 존재하는지 우리는 알고 싶다.
존재한다면, 그것들의 성질은 무엇인가? 얼마나
무거울 것이며, 얼마나 많을 것인가?
처음에는 영원히 답을 알 수 있을 것 같지 않다. 결국,
빛조차도 블랙홀로부터 벗어나지 못한다면, 어떻게
이것이 관측될 수 있단 말인가?
그럼에도 불구하고, 블랙홀이 정말로 존재한다는 증거는
쌓여가고 있다.
이제, 저는 블랙홀을 감지하는 하나의 새로운 방법을
설명하고자 하는데, 이로 인해 우리는 그것들과
“가깝고도 친밀한” 사이가 되어 좀 더 자세히 연구할 수
있게 된다.
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블랙홀 진동은
시공간의 잔물결을 생성한다
하나의 블랙홀이 섭동을 받거나 찌그러지면, 혹은 새로
생성되면, 이것은 진동을 일으키게 될 것이다.
진동하는 블랙홀은 중력파라고도 알려져 있는 시공간
상의 파문(波紋)을 만든다.
두 개의 블랙홀이 충돌하면, 하나의 좀 더 큰(그렇지만
짧은 순간 찌그러진) 새로운 블랙홀을 생성할 것이다.
이러한 일은 블랙홀 쌍성, 즉, 서로를 마주보고 빙빙
회전하는 두 개의 블랙홀, 에서 자주 발생한다.
중력파는 궤도 운동하는 블랙홀에 의해 만들어진다.
이렇게 생성된 중력파는 에너지를 갖고 나가게 되는데,
이로 인해 두 개의 블랙홀은 서로를 향해 가까워지는
나선운동을 하게 되고 결국은 충돌해서 더 무거운
하나의 블랙홀을 형성하게 된다.
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두 블랙홀 충돌 시뮬레이션
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우리를 통과하는 시공간 파문
(빨간색 시뮬레이션)
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적절한 “확성기”가 있다면
우리는 이러한 파문을 들을 수 있다
여기 두 블랙홀의 충돌로부터 나오는 중력파를 재생하는
녹음기가 있는데, 큰 소리를 내는 스피커를 통해 직접
재생하는 것이다.
이것을 들을 수 있게 하려면 증폭외의 다른 어떤 변경도
필요하지 않다. 이 시공간의 파문은 (인간의) 청각
영역에서 자연적으로 발생한다.
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시공간 파문에 대해 어떻게
“확성기”를 만드는가
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파문(波紋)이 하는 일은
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좀 더 간단히 …
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간섭계는 시공간 파문의
확성기 역할을 할 수 있다
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간섭계의 작동원리는
x 축으로부터의 파동
y 축으로부터의 파동
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빔분리계로부터
나오는 빛
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라이고 핸포드
(LIGO Hanford)
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라이고 리빙스턴
(LIGO Livingston)
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초기 라이고와 고등 라이고
(Initial LIGO and Advanced LIGO)
초기 라이고 영역
Image: R. Powell
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고등 라이고 영역
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중력파 탐색 어디까지 와있나?
우리는 초기 라이고로부터 수년 동안 관측과 데이터
분석을 수행해왔다.
현재까지 불행히도 중력파를 발견하지 못했다.
올해 말, 우리는 현재보다 10배의 정밀도를 갖는 고등
라이고 설치를 시작하기 위해 계측기를 해체할 것이다.
2015년까지, 고등 라이고는 작동할 준비가 돼있을
것이다. 이 라이고는 중력파 신호를 감지할 수 있는
충분한 정밀도를 갖추게 될 것이다.
그러면, 우리는 시공간 파문을 감지하는 이 새로운 “귀”를
사용해서 우주를 탐험하고 블랙홀의 본질을 들여다 볼
준비가 돼있을 것이다.
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