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블랙홀은 강한 중력에 의해 크기는 없지만 질량은 있는, 우주 속의 신비한 현상의 일종으로 분류된다. 신비한 블랙홀이 어떻게 발견되었는지, 또 어떻게 생성되었고 구성은 어떠하며 특징은 무엇이 있는지, 마지막으로 일상에서 블랙홀이 어떤 모습으로 영화와 음악으로 적용되었는지를 탐구해 보자.
블랙홀의 발견
블랙홀의 개념은 1915년에 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론 방정식에서 나왔고, 현재의 블랙홀 개념은 시간이 지나면서 발전되어 왔다. 시간이 흘러 20세기말, 과학자들은 마치 강력한 중력에 붙잡혀있는 듯한 이상한 움직임을 보이는 별을 발견하게 된다. 그리고 2019년 4월 10일, 과학자들의 노력으로 간섭계를 이용한 전파망원경을 통해 블랙홀로 추정되는 그 실물을 직접 인간의 눈으로 확인하게 된다. 몇 백 년 동안 거론되어 왔던 시건의 지평선, 중력렌즈 효과, 강착 현상 등이 실제로 일어나고 있는 별을 포착한 것이다.
블랙홀의 생성
블랙홀은 일종의 죽은 별이다. 블랙홀이 생성되는 과정을 알기 위해서는 별의 진화 과정을 알아야 한다. 별은 스스로 빛을 내는 항성으로, 질량을 가진 여러 원자가 생성한 가스구름으로부터 만들어진다. 이 가스구름 내에서도 원자가 뭉쳐있는 곳을 성운이라고 하며, 이 뭉친 곳의 밀도가 높아져 원시별을 형성한다. 원시별은 질량, 밀도가 높아 큰 중력을 갖게 되는데, 중력이 강력함에 따라 주위의 물질을 계속하여 끌어모으다 일정 시점에 핵융합 반응을 하면서 빛을 내며 폭발하면서 별이 탄생한다. 이 별에는 안으로 모으려는 중력의 힘과 밖으로 퍼지려는 내부압력의 힘이 동시에 작용하는데, 별의 중심부에서 내부압력으로 계속 수축하면서 온도가 높아지면 중력보다 내부압력이 커지는 상황이 생기며, 이 과정에서 별은 크기를 부풀려 팽창한다. 이 과정이 반복되면서 계속 팽창하다가, 별이 수축을 견디지 못해 폭발하는 초신성 폭발이 일어나게 된다. 이 과정까지 온 별의 중심부 밀도는 굉장히 높으며, 축적되어 온 중력이 내부압력을 월등히 넘을 정도로 강해지면 모든 것을 흡수하는 블랙홀이 생성된다. 중력이 너무 강하기 때문에 중력 발생지인 특이점과 그 중력의 경계를 나타내는 사건의 지평선 외에는 붙어있을 수 없으므로 더 이상 별의 형태를 갖추지 않는다. 이 때문에 블랙홀의 특이점은 무한대의 질량을 갖지만 크기는 0에 수렴하는 최종 형태가 된다.
블랙홀의 구성과 특징
블랙홀은 크게 특이점과 사건의 지평선, 두 가지로 구성된다. 우선 특이점이란 블랙홀의 가장 중심에 위치한 지점으로, 부피가 0이고 질량은 무한대이므로 매우 높은 중력이 작용하여 시공간의 뒤틀림이 극도로 나타나는 지점이다. 질량이 무한대이므로 상대성 이론에 따라 시공간의 굴곡이 크게 일어난다. 따라서 특이점에 가까울수록 시간은 점점 느려지며, 특이점에 도달하는 순간 시간은 멈추게 된다. 블랙홀의 특이점에 접근한 어떤 물체를 보는 관찰자의 시점에서 보면 그 물체는 서서히 움직임이 느려지다가 결국은 멈추게 된다. 사건의 지평선은 블랙홀의 겉을 둘러싼 표면으로, 시공간이 휘어 있어 빛마저도 빠져나가지 못하고 궤도를 따라 원운동 하는 곳이다. 이 경계 안에는 강력한 중력이 작용하기 때문에 이를 넘는 순간 어떤 물질도 다시 빠져나올 수 없게 된다. 따라서 사건의 지평선 안에 들어온 모든 물질 및 정보들은 블랙홀을 관찰하는 입장에서 볼 수 없기 때문에 과학자들은 사건의 지평선의 바깥쪽 근처에서 일어나는 현상을 보며 블랙홀의 실체를 관측한다.
블랙홀을 다룬 영화와 음악
영화 '인터스텔라'에서는 블랙홀을 핵심 키워드로 다루고 있다. 이 영화에서는 '가르강튀아'라는 블랙홀이 등장하는데, 현재까지 과학자들이 주장한 이론과 개념을 포함한 과학적인 블랙홀 모형을 아름답고 생동감 있게 구현하였으며, 블랙홀에 우주선과 사람이 들어가면 어떤 모습일지에 대해 창의적으로 보여준다. 블랙홀에 흥미가 생겨 공부하고 있는 사람이라면 감명 깊게 볼 수 있을 영화이다. 가수 윤하의 '사건의 지평선'이라는 노래는 앞서 알아본 사건의 지평선을 주제로 다루고 있다. 그 가사는 블랙홀을 감싸고 있는 사건의 지평선을 넘는 순간 다시 돌아올 수 없다는 점을 비유하여 사랑했던 연인과의 이별을 표현하고 있다. 사건의 지평선의 특징에 집중하여 노래를 감상한다면 가사에 깊이 이입되어 질 높은 음악 감상을 할 수 있을 것이다.