5, 블랙홀

5, 블랙홀

 

블랙홀을 이해하기 위하여 일반상대성이론의 설명이 필요하다.

 

시공(時空) 사차원시공세계

이것은 공간에 대하여 3개의 축과 시간에 대한 하나의 축과 합계 4계의 축으로 이루어진 세계이다. 모든 물체의 운동이란 시간과 함께 그 위치를 바꾸는 것이므로 이 사차원시공세계에서는 1개의 곡선으로 나타낼 수 있다.

이 때 공간과 시공의 4개의 축은 모두 서로 직각으로 만난다. 4개의 축이 직각이 된다는 것은 이미지하기 어렵지만 수학적으로는 허용되는 것이다. 이런 직각은 4개의 직선의 세계를 <평평한 시공>이라고 한다. 아인슈타인은 평평한 시공 중에서 물체의 운동이나 광선의 진행 방법에 대하여 여러 가지를 조사했다. 이것이 특수상대성이론이다.

 

중력은 오그라진 시공이다.

이것은 우리들의 일상에서 떨어져 있으므로 매우 이해하기 어렵다. 중력이란 만물이 낙하한다. 이것은 뉴턴에 의하여 만유인력이라 했다. 그러나 아인슈타인은 중력을 <힘>으로 위치를 정하지 않고 <시공의 오그라짐>으로 하여 취급하였다. 곧 중력은 강할수록 시공의 오그라짐이 크다는 것이다. 그러면 중력원에서 멀리 떨어진 곳에서는 시공은 평평해진다.

아인슈타인은 오그라진 시공에 대하여 여러 가지를 조사해서 물체의 운동은(그것이 중력에 의하여 운동하는 경우에만) 오그라진 시공 안에서 항상 최단거리 길을 통하여 나간다.(그러므로 직선이 안 된다.) 라는 것을 이끌어내어 다시 중력에 의하여 빛은 오그라지는 것도 예상하였다. 이상이 일반상대성이론의 요점이다.

 

사상(事象)의 지평면

이제 어딘가 1개소 매우 중력이 강한 장소가 있다고 하자. 그러면 이 가까이에서 방출되는 모든 빛은 크게 오그라져서 그것이 극단이 되면 다시 본 자리로 돌아온다. 이런 상황을 빛이 <사상의 지평면 안에 떨어졌다.>고 표현한다. 거기서 빛마저 겉으로 나오지 못하니까 당연히 물체 등은 나올 수가 없다. 이것이 블랙홀이다. 일반상대성이론에 의하여 중력원의 강함과 지평면(구면)의 크기와의 관계가 이끌어내어지는 것이다.

 

별의 종말

모든 수소니 헬륨을 다 써버린 항성(우리들 태양처럼 스스로 빛을 내는 별)은 한 없이 수축하는데 그런 별 중에는 블랙홀에 가서 닿는 것이 있다. 예를 들면 태양보다 10배 이상의 질량을 가진 항성이 블랙홀을 만든다면 사상의 지평면은 직경 60 킬로미터로 계산된다.

이처럼 눈으로는 결코 보이지 않는 블랙홀은 발견될 것인가?

간접적 발견이라고 할 수 있는데 백조좌 X-1이라고 명명된 x선을 방출하는 별이다. 이 별은 청색초항성과 연성계(連星系=서로의 둘레를 회전하는 2개의 별)를 이루고 있어서 초거성의 자세한 관측에서 x선 성은 태양의 10배 정도의 무게의 별과 만나고 있다. 혹시 x선성이 보통의 별이라면 당연히 보여야 한다. 그러나 빛은 아무튼 보이지 않는다. 보이지 않는 별의 후보는 몇 개나 생각되지만 태양의 10배 정도 무게라는 점을 생각하면 블랙홀밖에는 없다. 게다가 x선이 방출하는 방법도 블랙홀 설을 생각하지 않으면 설명이 되지 않는다.

블랙홀이 연성이라는 해석은 매우 내용이 풍부하므로 이것을 바탕으로 이론적인 계산을 하면 아직 발견하지 못한 새로운 사실을 예언할 수 있을는지도 모른다는 것도 주목되고 있다.

일상으로 생각하면 이해하기 어려운 블랙홀이지만 우리들 은하계의 중심부에도 3개의 거대한 블랙홀이 존재하고 있다고 생각되고 있다. 은하계가 회전하는 데는 역시 중심에 강력한 중력원인 블랙홀이 있다는 것이 자연이다.

우리들의 은하계도 먼 장래 거대한 블랙홀로 변해버릴 가능성마저 있다.