# 블랙홀이 뭐야? 블랙홀은 극도로 높은 중력을 가지는 천체입니다. 탈출 속도가 광속을 넘기 때문에 빛을 포함한 어떤 물체도 탈출할 수 없다고 알려졌죠. 블랙홀이라는 이름은 빛조차 빠져나가지 못하므로 검은 구멍만 보일 뿐이라서 붙었습니다. 그 실체는 이름처럼 공간에 구멍이 뚫린 것이 아니라 별의 잔해입니다. 다만 물질이 뭉쳐질 수 있는 한계까지 압축된 잔해이죠. 블랙홀의 본체는 중심의 특이점을 말하지만, 흔히 탈출속도가 광속을 넘어서는 사건의 지평선 이내의 공간을 블랙홀이라 부릅니다. #블랙홀, 어떻게 만들어질까? 첫 번째 : 별의 붕괴 항성의 크기를 유지하는 에너지는 항성 내부의 핵융합에서 나옵니다. 핵융합으로 발생하는 에너지가 중력을 이기고 항성을 구성하는 물질들을 밖으로 밀어내기 때문에, 항성은 막대한 질량을 가지고도 스스로 붕괴하지 않습니다. 일단 주계열성 단계에서 수소를 소모해 에너지를 만들고, 수소를 일정 이상 소모하게 되면 중력 붕괴를 일으켜 전체적으로 조금 수축하여 중심부 온도와 압력을 높이고 헬륨 핵융합이 일어납니다. 중심부에서 헬륨 핵융합이 시작되면 본래 핵융합이 일어나지 않던 외곽 부분의 압력과 온도가 높아져 수소 핵융합이 일어나게 됩니다. 따라서 항성의 밀도가 낮아져 크게 팽창하게 되며 외각부 밀도가 크게 낮아지므로 스스로 질량을 태양풍 형태로 빠르게 우주로 날려버리게 됩니다. 이 상태를 거성이라 부릅니다. 주계열성 단계의 질량에 따라 어느 원소까지 핵융합을 하는가가 달라지지만, 어떤 항성이든 철 이상 무거운 원소를 핵융합으로 합성할 수는 없고 결국 연료를 모두 소모하게 됩니다. 이렇게 연료가 모두 소모되어 핵융합으로 얻는 에너지가 중력보다 약해지게 되면 항성은 전체적으로 급속도로 수축하지만, 밀도가 일정 이상이 되면 중심핵의 구성 물질들이 수축을 갑자기 딱 멈추게 됩니다. 이것은 항성의 붕괴를 막는 첫 번째 장벽인 '전자 축퇴압' 때문입니다. 파울리의 배타 원리에 따르면, 두 개 이상의 페르미온은 같은 양자 상태에 있을 수 없다고 합니다. 중요한 것은 전자도 페르미온이라는 점, 즉 강한 중력에 의해 원자가 압력을 받더라도 원자 내부의 전자구름에 있는 전자들이 동시에 같은 양자 상태를 가질 수 없으므로, 각자 서로 다른 양자 상태를 가지면서 겹쳐지지 않는다는 이야기이죠. 이 때문에 한정된 공간에 전자를 몰아넣으려면 에너지가 필요한데, 이 공간을 줄이려면 필요한 에너지가 증가합니다. 이때 공간이 줄어드는 데 저항하는 방향으로 힘이 작용하게 되며 이를 ‘축퇴압’이라 합니다. 붕괴하는 천체가 많이 무겁지 않다면, 붕괴 도중 전자 축퇴압과 중력이 균형을 이뤄 안정되고 그 상태로 서서히 식어가게 됩니다. 이 상태가 된 천체를 ‘백색왜성’이라 하며, ‘백색왜성’은 먼 훗날에는 가진 열을 모두 잃고 식어 ‘흑색왜성’이 됩니다. 하지만 전자 축퇴압보다 중력이 강할 정도로 천체의 질량이 크다면, 천체는 축퇴압을 짓누르고 계속해서 수축하게 됩니다. 태양 질량의 1.44배가 그 최소 조건의 한계점이며, 이 한계점을 '찬드라세카르 한계'라고 합니다. 항성 질량이 이 한계점을 넘으면 파울리의 배타 원리는 강력한 중력에 의해 무력화되는데, 양성자와 전자가 더 이상 중력을 이기지 못하고 합쳐져 중성자가 되기 때문입니다. 계속해서 수축하는 항성 핵은 이윽고 '중성자 축퇴압'이라는 두 번째 장벽에 마주치게 됩니다. 고밀도, 고압력 상태에서 천체의 양성자는 전자를 포획하는 역 베타 붕괴를 하면서 중성자로 변합니다. 그리고 중성자와 중성자 사이의 축퇴압이 천체의 붕괴를 멈추게 합니다. 중성자 축퇴압에 더해 가까운 거리에서는 척력으로 작용하는 강력도 붕괴를 멈추는데 일조합니다. 다만 별 중심부에서 갑작스럽게 일어난 수축의 여파로 초신성 폭발이 일어나 별의 중심핵을 제외한 부분이 모두 날아가죠. 그리고 남아있는 중심핵의 중력이 중성자 축퇴압과 강력을 이길 정도로 강하지 않다면, 다시 말해 일정 수준 이상으로 천체가 무겁지 않다면, 천체는 이 상태에서 안정되면서 중성자가 주요 구성 물질인 중성자별이라고 불리게 됩니다. 하지만 중심핵의 질량이 중성자 축퇴압으로도 버틸 수 없을 정도로 무겁다면 천체의 붕괴를 막을 수 있는 힘이 더 이상 남아있지 않게 됩니다. 결국 별은 끝없이 쭈그러들다가 자기 자신의 사건의 지평선에 잡아먹히게 되며 블랙홀이 됩니다. 초신성 폭발이 일어난 직후 중심핵이 중성자별이 되었더라도 주변에 남은 물질을 흡수하여 블랙홀로 진화하는 경우가 대부분이며 태양 질량의 약 50배 이상 되는 초거대별의 경우는 중심핵이 중성자별 단계를 거치지 않고 바로 블랙홀로 붕괴하며 극초신성과 감마선 폭발을 동반하게 됩니다. * 다음 포스팅에선 중성자별의 붕과와 가스의 직접 붕괴를 다뤄볼까 합니다.
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답변완료 어째서 블랙홀의 큰 힘은 파울리의 배타원리를 무시하나요?
답변내용 파울리의 배타원리가 제공할 수 있는 전하를 띈 입자간의 반발력에는 한계가 있습니다. 상대성이론에 의하면 별을 구성하는 입자들 간의 속도 차이가 최대 광속 이상이 될 수 없는데요. 이에 따라 별의 밀도 충분히 커지게 되면, 배타원리에 의한 반발력보다 중력에 의한 인력이 더 커지게 됩니다. 댓글 [전체 댓글수 0] 로그인 후 이용가능 합니다.자료가 없습니다. 목록 이전 다음 질문하기 최고의 과학자들이 여러분의 궁금증을 해결해드립니다. |
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