블랙홀의 크기 종류및 사건의 지평선

블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛마저 탈출할 수 없어서 어둡게 보이는 천체를 말합니다. 1783년에는 미첼이 별의 크기와 무게에 따라 빛이 튀어나갈 수 없을 것이라고 제안했고, 아인슈타인은 1915년 일반상대성이론을 통해 블랙홀을 이해하게 되었습니다. 블랙홀은 질량이 있으면 시공간이 휘어들고 중력이 생기는데, 이때 빛마저 빠져나갈 수 없는 지역을 블랙홀이라고 합니다. 블랙홀의 가장자리를 사건의 지평선이라 하며, 이 안에서 일어나는 일은 관측이 불가능합니다. 블랙홀은 외부에서 일어나는 현상을 통해 확인되는데, 물질이 유입되면 가열되어 빛을 내뿜는데 이를 통해 질량을 추정하여 확인합니다. 은하 중심부에는 초대질량블랙홀이 있어 물질이 유입되면 퀘이사나 활동이 일어나는데, 이것이 강한 빛을 방출하는 원인 중 하나입니다. 블랙홀은 중력렌즈와 중력파와도 관련이 있어 우주에서 특이한 현상을 일으킵니다.블랙홀 주변의 시공간은 굉장히 휘어져 있어서 빛도 특별한 궤도를 따라이동합니다. 슈바르츠실트 블랙홀의 경우, 이 궤도를 광자고리라고 부르며, 그 반지름은 슈바르츠실트 반지름의 1.5배에 해당합니다. 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 빛을 방출하는 기체들이 있다면, 이 빛은 궤도를 돌면서 휘어져서 밖으로 나가게 됩니다. 이때 멀리서 관찰하면 광자구로 보이게 되는데, 이 광자구의 지름은 슈바르츠실트 반지름의 5.2배에 해당합니다. 그러나 블랙홀과의 거리가 매우 멀어서 이 광자구는 관측이 어렵습니다.그러나 2017년 4월에 지구 상에 위치한 여러 전파망원경을 결합하여 지구 크기의 전파망원경과 같은 효과를 내는 사건의 지평선 망원경, 즉 이벤트 호라이즌 텔레스코프가 처녀자리 은하 M87의 중심부를 관측하는 데 성공했습니다. 전파 관측 자료는 구경합성 방법으로 분석되어 블랙홀의 광자구의 영상을 처음으로 얻는 데 성공했습니다. 이 영상에서 중앙의 검은 부분은 블랙홀의 사건의 지평선 안쪽으로 들어가는 궤도의 방향을 나타내므로, 사실상 블랙홀의 사건의 지평선을 본 것입니다. 광자구의 모양, 크기, 그리고 일부 부분이 상대론적 빛집중에 의해 더 밝게 보이는 현상 등은 일반상대성이론에서 예측된 결과와 아주 잘 일치합니다.

 

 

블랙홀크기및 사건의 지평선

블랙홀은 일반적으로 별이나 중성자별과 같은 천체들과 다르게 특정한 공간을 물질이 채우고 있지 않습니다. 따라서 블랙홀의 크기는 주로 외부와 단절된 영역의 크기를 나타냅니다. 회전하지 않은 블랙홀의 시공간을 2차원 곡률로  중심으로 갈수록 공간이 강하게 휘어지고, 특정 영역 안에서는 빛조차도 외부로 나갈 수 없게 됩니다. 이 특별한 경계면을 사건의 지평선(event horizon)이라고 부르며, 이 안에서 일어난 사건은 외부와 단절된다는 뜻입니다.회전하지 않는 블랙홀의 경우 사건의 지평선은 뷰다르츠실트반지름에 위치합니다. 이것을 통하여 블랙홀의 크기를 가늠할수 있습니다.예로 태양의 10배질량을 가진 블랙홀의 반경은 30km이며 태양의 1억배 질량을 가진 블랙홀의 반경은 3억 km로 태양과 지구 사이의 거리의 2배 정도입니다. 허나 이러한 크기는 블랙홀까지의 거리에 비하면 너무나 작아서 현 망원경으로는 직접 관측하기가 어렵습니다. 회전하지 않는 천체의 크기가 슈바르츠실트반지름보다 작아지면 블랙홀이 됩니다. 예를 들어, 태양을 3 km보다 작게 만들면 블랙홀이 될 수 있지만, 현재의 태양 상태를 고려하면 이런 크기로 줄어들 가능성은 낮습니다. 그러나 질량이 매우 큰 별은 중력에 의해 수축하면서 크기가 슈바르츠실트반지름보다 작아져 블랙홀이 될 수 있습니다.

 

블랙홀의 종류

일반 상대성 이론에서 안정된 블랙홀은 주로 질량, 각운동량, 그리고 전하로만 결정됩니다. 이론에 따르면, 각운동량과 전하가 없고 질량만 가지는 가장 기본적인 블랙홀은 슈바르츠실트 블랙홀이라 불리며, 각운동량 없이 질량과 전하만을 갖는 블랙홀은 라이스너-노르드스트롬 블랙홀이라고 알려져 있습니다. 또한, 전하 없이 질량과 각운동량만을 가지는 블랙홀은 커 블랙홀이라고 불립니다. 질량, 각운동량, 전하를 모두 포함하는 블랙홀은 커-뉴만 블랙홀이라고 불리며, 이러한 블랙홀들은 일반 상대성 이론의 수학적 해로 발견된 학자들의 이름을 따서 명명되었습니다.

우주에서 발견되는 블랙홀들은 대부분 중성(neutral) 상태로 전하가 없는 경우가 많습니다. 따라서 라이스너-노르드스트롬 블랙홀이 우주에서 나타날 가능성은 적다고 여겨집니다. 따라서 주로 질량과 각운동량에 따라 특성이 결정되는 슈바르츠실트 블랙홀이나 커 블랙홀이 우주에서 발견될 것으로 예상됩니다.