블랙홀은 무엇인가?
블랙홀은 탈출 속도가 빛의 속도 이상인 천체이다. 이런 개념은 1700년대에 처음 제안 되었다. 별의 크기가 아주 작고 질량이 매우 클 경우 만유인력이 빛의 입자가 탈출할 수 없도록 한다고 보았기 때문이다. 이러한 별은 블랙홀이 된다.
블랙홀의 구조는 어떻게 되는가?
블랙홀의 중심, 즉 시공간 구조에 생긴 파열 또는 접힘은 특이점이라고 불린다. 이것은 부피가 없고 무한의 밀도를 가지는 한 점이다. 놀랍게도, 우리가 이해하고 있는 물리 법칙, 다시 말해 모든 우주에서 적용되는 물리 법칙이 블랙홀의 특이점에서는 적용되지 않는다. 특이점을 둘러싸고 있는 경계를 사건의 지평선이라고 부른다. 블랙홀의 질량이 클수록, 특이점으로부터 사건의 지평선이 멀어지고 블랙홀의 크기도 더 커진다.
블랙홀이 회전하면 어떤 일이 발생하는가?
블랙홀이 회전하게 되면 사건 지평선의 구조와 모양이 바뀔 수 있다. 만약 블랙홀이 회전하지 않는다면 사건 지평선은 특이점을 기준으로 완벽한 구의 형태를 띨 것이다. 블랙홀이 회전하면 사건의 지평선은 두꺼운 도넛 형태로 평평해지게 되며, 작용권이라고 불리는 구조로 발전한다. 이때 빛은 블랙홀에서 탈출하지 못하고 특이점 주위를 돌게 된다.
회전하는 블랙홀이 전하를 가지면 어떻게 되는가?
전하를 가진 입자가 계속해서 빙빙 돌게 되면, 전자기장이 형성된다. 블랙홀은 작은 부피 안에 많은 양의 질량을 가지고 있으므로, 굉장히 빠른 회전 속도를 가지게 되며 전하의 밀도 역시 엄청나게 높다. 이러한 조합은 우주에서 존재하는 가장 강력한 자기장을 형성한다. 이러한 경우, 물질이 블랙홀로 빠지게 될 때 물질이 매우 뜨거워질 뿐만 아니라 엄청나게 자기화된다. 물질이 블랙홀에 빠지면 대부분 다시 볼 수 없게 되지만, 이 중 일부는 자기장과 연결되어 자기적으로 집중된 엄청나게 강력한 제트로 빠져나온다. 블랙홀이 얼마나 많은 질량을 갖고 또 얼마나 많은 전하를 갖고 있느냐에 따라 이 제트는 물질을 광속의 99% 혹은 그 이상으로 가속시켜 수천 혹은 수백만 광년을 날아가게 한다. 이와 같은 블랙홀 계에서부터 튕겨나오는 상대론적 제트는 우주에서 가장 극적인 현상 중 하나다.
블랙홀을 빠져나가는 일이 가능한가?
영국의 물리학자 스티븐 호킹에 의하면, 블랙홀에서 에너지가 천천히 흘러나올 수 있다. 이러한 에너지의 유출은 호킹 복사라고 불리는데 이 같은 현상의 원인은 블랙홀의 사건 지평선이 완전히 매끄러운 표면이 아니어서가 아니라 아원자적 준위에서의 양자역학 효과에 따른 '희미한 빛'때문이다. 양자역학 수준에서 공간은 이른바 가상 입자들로 채워져 있다고 생각된다. 가상 입자들은 두 개의 반쪽으로 나뉘어 나타나는데, 만약 가상 입자가 사건 지평선 안에서 생성된다면 반쪽 중 하나가 블랙홀 안쪽 깊숙이 빠지고, 다른 반쪽은 희미하게 빛나는 사건 지평선을 통과해 우주로 흘러나오는 아주 약간의 가능성이 존재한다.
