태양(Sun)과 블랙홀(Blackhole) 그리고 우주(Universe)

글쓴이

이병철

2019-10-12 15:29:47, 조회 : 1,211

 

 

태양(Sun)과 블랙홀(Blackhole) 그리고 우주(Universe)

밤하늘에 반짝이는 별을 보면서 우리는 꿈과 희망에 부풀고 전율과 설레임, 경외감을 느낀다.
비록 발은 땅에 있지만, 마음은 하늘을 향하고 광활한 우주 드라마의 한 연출을 함께 하는 것이다.
우주와 별은 인류의 출현 그 전에도 그 후에도 존재하지만, 인류는 별을 보기 시작한 이래로 많은 호기심을
가지고 도전하며 우주로의 진전을 가져왔다.

과연 우리가 살고 있는 땅, 지구는 밤하늘에 보이는 별일까 아닐까? 태양계 금성(金星) 목성(木星) 해왕성(海王星) 모두 별 성(星) 자를 써서 별로 불린다. 금성은 희랍신화, 사랑과 미의 여신 Venus이고, 목성은 하늘을 다스리는 신 Jupiter이고, 해왕성은 바다의 왕 포세이돈 Neptune이다. 그런데 천문학적 기준으로 보면 금성은 샛별로도 불리고 태양에 반사되어 빛나고 지구와 달도 마찬가지이지만, 태양을 도는 위성으로 행성(Planet)이라 구분하여 별(Star)은 아니다. 그럼 진정한 별(Star)이란 무엇인가? 스스로 빛을 발하고 그 자리에 박혀있는 붙밭이별(Fixed Star)을 말한다. 흔히 태양(Sun)과 같은 항성(恒星)을 또 달리 천문학에서는 Stellar로도 불리운다. 그래서 우주의 별을 넓게 구분하면 크게 항성(Star), 행성(Planet) 그리고 성운가스 먼지 이렇게 구분도 할 수 있겠다. 성운은 성간물질의 구름을 말하지만, 별의 고향이 되고 은하가 될 수도, 큰 항성이 될 수도 있고 온도는 몇 억도 수백억도를 넘을 것으로 생각된다.

그러면 진정한 별(Star), 즉 항성 태양부터 알아보면, 태양은 직경이 대략 140만Km 정도이다. (지구의 직경이 약 12,756 Km이고 대략 겉으로 보기에 백배인데 이것을 체적으로 그 크기를 계산하면 백만배 정도로 볼 수 있다. 즉 지구가 백만개 정도(질량으로 33만개) 있어야 될 크기이고 목성은 대략 지구의 일천배 정도이다. 천배지구가 목성이고 백만배지구가 태양이다) 태양의 표면온도는 약 섭씨 5,500도(5,776K)이고 코로나의 온도는 100만도, 내핵의 온도는 1,500만도에 다다른다. 기체상태이고 모든 물질이 핵자(양성자 중성자) 랩톤 등 미립자 수프상태로(플라즈마) 존재한다. 수소(H)가 융합되어 헬륨(He)로 바뀌는 핵융합반응이 연쇄적으로 일어난다. (그 횟수는 초당 몇 억번 이상인지 가늠이 않된다. 초당 수소폭탄이 1조 이상폭발) 그것이 모든 에너지원천이 된다. 태양계 가장 외곽 행성인 해왕성 바깥 궤도를 공전하는 천체들의 집합을 카이퍼밸트(Kuiper Belt)라 불리우며 이곳이 단주기혜성(200년 미만으로 근지점을 형성하는 극타원형의 소행성) 그리고 그 바깥 태양의 중력장까지를 오르트구름(Oort Cloud)이라 부르며 장주기혜성(200년 이상으로 태양의 근지점을 통과)의 고향으로 여기며 아주 넓게 그 끝이 1광년에 다다른다.

그것을 벗어나면 항성간을 지나고 우리태양계는 우리은하계의 변방에 불과하다. 우리은하(Milky Way)는 막대나선형으로 10만광년 정도의 크기이고 은하계 바깥은 소마젤란 대마젤란성운이 위성은하에 해당되고 가장 가까운 은하가 안드로메다은하로 250만광년의 위치이고 안드로메다은하는 우리은하보다 더 크고 우리은하와 충돌하여 더 크게 생성되는 밀코메다(Milkomeda, 우리은하 Milky Way + 안드로메다은하 Andromeda)를 형성한다. 여기까지가 국부은하군이고 더 나가면 5,500만광년의 처녀자리은하단이 형성되고, 더더 나가면 3억광년 거리의 라니아케아초은하단 그 다음은 빈공간(Void)를 지나고 관측 가능한 우주를 지나면, 그냥 대우주 이렇게 부르고 대략 빅뱅 이후 우주의 크기는 465억광년이라 추정하기도 한다. 그런데 우리는 우주의 끝을 볼 수 없다. 100억년 원시은하를 봐도 그것은 관측된 우주의 끝일뿐이다. 정말 무한하고 광활한 우주가 아닌가?

다시 항성 태양으로 돌아와서, 태양은 연쇄적인 수소핵융합반응으로 모든 에너지원천으로 존재하다가 50억년 후에는 금성궤도까지 확장되는 적색거성(Red Giant) 상태를 잠시 유지한 후, 행성상 성운으로 외곽껍질이 벗겨지면서 질량의 50%를 도로 우주로 환원하고 내핵은 지구만한 크기의 백색왜성(White Dwarf)로 중력수축한다. 여기에는 전자축퇴와 원자핵구조를 통한 설명이 필요하다. 전자축퇴(Electron Degeneracy)는 별의 질량이 태양의 1.4배보다 작은 경우에만 중력에 의한 압축에 균형을 유지할 수 있다. 원자핵은 가운데 양성자와 중성자 그리고 전자구름대에 전자가 위치해 있다. 예를 들면, 종합운동장으로 치면 한 가운데 작은 쇠구슬인 양성자와 중성자가 있고 운동장 제일 바깥을 마치 전자가 공전하는 상상을 하면, 중력(Gravitation)수축에 의해 전자구름이 짓으깨져 (예를 들면 200m Ｘ 200m Ｘ 200m = 8백만 ㎥의 종합운동장에서 2m X 2m X 2m = 8 ㎥의 밀실)로 축퇴되면 전자는 오히려 더 맹렬한 속도와 힘으로 중력수축에 저항하여 균형을 이루는 상태가 백색왜성이라 한다. 지구의 밀도가 5.5 g/㎤(물의 밀도가 1 g/㎤)인데 반해, 백색왜성의 하나인 8.6광년 밖 시리우스의 동반성 시리우스B는 4톤/㎤정도이다. 즉 같은 부피, 1입방 센티미터에 백만배의 질량이 담긴다.

백색왜성으로 죽기에는 너무 무거운 1.5배 ~ 3태양질량은 백색왜성 대신에 중성자별의 형태로 죽는다. 내폭파와 별의 바깥층의 초신성(Supernova, 태양의 1억 ~ 100억배 밝기) 폭발 후, 중성자별(밀도 1억톤/㎤, 굳이 비유하면 8㎥ 밀실이 10 ㎣공간으로 줄어드는)을 형성하는데 회전하고 자기를 띠는 우주의 등대로 불리우는 펄서(Pulsars)도 여기에 해당되고, 전자축퇴압을 능가하여 전자가 더 좁혀져 맞닿아 양성자와 결합하여 중성자로 이루어져 중성자축퇴압이 중력에 저항하여 균형을 이루는 상태를 중성자별(Neutron Star)이라 한다. (태양이 지구만 해졌다가 다시 수축하여 지름 20Km의 크기의 아주 고밀도의 별이 된다면)

만약 10태양질량이 중력수축을 하면 중성자성을 거치지 않고, 밀도가 무한대이고 부피가 최소인 즉 임계원둘레를 넘어서서 스스로를 잘라내는 블랙홀(Blackhole)이 된다. 1783년 영국의 자연철학자 존 미첼, 1796년 프랑스의 수학자 라플라스에 의해서 빛의 탈출속도와 같은 중력을 갖는 밀집성을 암흑의 별(Dark Stars)로 불리우며 사고하기 시작했다. 알베르트 아인슈타인(1879 ~ 1955, 독일태생 미국과 스위스의 이론물리학자)은 1915년 11월 중력에 대한 일반상대성법칙을 발표하며 블랙홀의 존재를 예측했고, 1916년 독일의 천체물리학자 슈바르츠실트는 아인슈타인의 공식을 읽은 후, 새로운 중력법칙이 별에 대해서 예측하는 시공간곡률에 대한 정밀한 계산을 하였다. 드디어 그 첫 섬광은 1938~39년 미국 물리학자 오펜하이머(1904~1967) 볼코프 스나이더는 내폭파를 통해 중력수축하는 별이 임계원둘레까지 수축하여 완전동결되는 즉 블랙홀이 되는 이론적 검증을 최초 주창했다. 같은 경쟁자였던 존 아치볼트 휠러(1911~2008, 칼텍 물리학자)는 중성자별에서 종료되어 생을 마감한다는 이론을 가졌으나, 그 후 오펜하이머 이론을 받아들여 발전시켰고 최초 블랙홀이란 이름을 붙였다. 블랙홀은 Event Horizon(사상의 지평선, 사건의 지평선)이라는 지평선을 가지고 있다. 모든 물질은 단지 빨려들어가고 결코 나올 수 없는 경계면을 말한다. 태양은 블랙홀이 될 수 없지만 만약 된다면, 단지 아주 작은 반경 3Km의 지평선을 갖게 된다. 만약 백만태양블랙홀이라 하면, 사건의 지평선이300만Km가 된다. 지구로 말한다면 단지 1 Cm의 구슬이 되는 크기이다. 밀도가 무한대, 부피가 최소가 되면 빛도 빠져나오지 못하는 중력이 무한대가 되는 상태로 검은색으로 보일 수 밖에 없다. 스티븐 호킹(Stephen Hawking 영국 물리학자)의 양자장이론으로 블랙홀은 검은 색이 아니고, 또 입자와 반입자에 의해 블랙홀로부터 탈출하는 물질이 존재해 결국에는 블랙홀도 증발함을 이론적으로 연구했다. 블랙홀의 사건의 지평선 근처는 주변의 가스와 성운들이 거의 빛속도로 회전하며 빨려 들어간다. 결국 그 중심을 특이점(Singlarity 싱글라리티)이라 불리우며 모든 물질이 수렴된다. 아니 사라진다! 즉 변환되어 무한소부피 무한대밀도의 다른 상태로 존재한다!! 아니면 공간이 휘어지고 늘어지며 다른 우주로의 길, 즉 웜홀(Wormhole)로 사라지는가?

몇몇 블랙홀이나 그 후보 항성과 초거대질량을 소개하면, 항성질량블랙홀은 1)IGR J17091은하 7개 정도 0.3태양질량 2)XTE J1650-500 제단자리 3.8M(M = 태양질량) 3)GRO J1655-40 6.3M 4)HLX-1 15M이고, 초거대질량블랙홀은 1)궁수자리 A 400만M(400만 태양질량) 2)M60-UCD1 2000만M 3)Messier 87 처녀자리 70억M(70억태양질량으로 올해 2019년 4월15일 최초로 관측이 되었다. 5,500만 광년, 물론 우리은하 밖이다.) 4)Holmeberg 15A 고래자리 100억M 5)NGC 1277 페르세우스자리 170억M 6)TON 618 준항성전파원 퀘이사 중심에 위치하고 660억M 즉 태양의 660억배로 추정된다. 블랙홀과 아울러, 또 다른 하나를 소개하면 퀘이사(Quasi-stellar radio source) 또는 준항성, QSO(Quasi-stellar Objects)이다. 우주의 밤하늘에 초신성만큼 밝게 빛나는 천체이고 무려 우주의 밝은 은하보다도 100배 이상 더 밝다. 또 멀리서 지구로 우주의 전파를 보내오고 이 전파는 자기장을 에워싸고 거의 빛 속도에 이르는 빠르기로 나선운동을 하는 전자에 의해 만들어지고 자기장은 전자를 직선이 아니라 나선운동하게 하고 전자의 나선운동이 이 전파를 만들어 낸다. 그 가운데 블랙홀이 존재하기도 하며 태양의 100억배 혹은 1000억배에 달하는 에너지원천으로 추정한다.

우주는 백뱅가설에 의하면 빅뱅(Big-bang) 이후 계속 팽창한다. 빅뱅이론의 오류를 연구하여 급팽창이론이 나왔고 또 원래 우주는 무한하고 그 사이에 공간이 무한히 생긴다는 설도 있고 하여간 현재의 그 크기는 465억광년으로, 우주의 나이는 급팽창 이후 137억광년으로 추정한다. 또 입자물리학은 우주의 모든 물질은 원자 이전에 쿼크(Quark), 랩톤, 보손, 힉스보손 등으로 이루어 졌고 그 입자가 끈, 초끈(Superstring)으로 이뤄졌다는 초끈이론을 연구하여 또 다중우주도 평행우주론도 추가로 나온다. 뿐만 아니라 우주는 빅뱅에 의한 팽창이 아니라 축소된다는 설도 있다. 그러면 시간이 역방향으로 흐른다는 얘기이다. 언젠가 어디선가 아주 발달한 문명이 우리우주와 인접우주의 휘어진 막을 잡아 웜홀(Wormhole)을 뚫어 연결한다면, 10억광년의 거리도 단 1분 안에 올 수 있다고 본다. 과연 원시인류는 지금 우리가 해저터널을 뚫고 우주선으로 달나라에 갈 것을 상상을 했겠는가? 아니 상상했을 수도 있다. 그 상상력이 오늘에 이른 것이다. 비록 발은 땅에 있지만, 마음은 하늘을 향하고 광활한 우주 드라마의 한 연출을 함께 하는 것이다. 비록 오늘의 저녁 식사를 하고 레포트를 해야 하지만 내일은 무엇을 할지 모른다!!


추신) 킵손 박사(Kip Stephen Thorne 1940 ~ 캘리포니아공대 이론물리학자)는 이 블랙홀 연구의 전문가의 한 사람이다. 두개의 블랙홀이 서로 병합하여 하나의 큰 블랙홀을 형성할 때 발생하는 곡률의 잔물결 즉 중력파를 연구한다. 시공간곡률은 조석중력과 같다. 달이 만든 시공간곡률은 지구의 바다에 밀물과 썰물을 만든다. 블랙홀의 중력파에 있는 시공간곡률의 잔물결 역시 비슷하게 바다의 밀물과 썰물을 만든다. 막대검출기의 한 형태인 LIGO(Laser Interferometer Gravitation Observatory) 레이저간섭계 중력파관측소를 통해 관측한다. 세계 몇 군데에 이 정교한 관측소가 있고 그 중력파를 잡아내고 분석하고 연구한다. 2017년 LIGO를 통한 중력파 연구로 노벨물리학상을 수상했다. 항성간 블랙홀 영화 [인터스텔라 Interstellar] 2014년 개봉되었는데, 이 영화의 자문감독 역할을 하였다. 칼 세이건(Carl Edward Sagan 1934 ~ 1996 코넬대학 행성물리학자)은 1980년대 명작 코스모스(Cosmos), 혜성(Comet)을 지필하여 나의 마음을 잡아 주었고 꿈을 꾸게 했다.