안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
Q. 슈바르츠실트 반지름과 사건의 지평선은 같은 개념인가요?
독일의 물리학자인 카를 슈바르츠실트가 1916년에 아이슈타인의 일반상대성이론을 바탕으로 가장 간단한 블랙홀 해석을 제시하게 되는데 그가 유도한 해에서 어떤 질량이 특정 반지름 안에 압축되면 블랙홀이 된다는 반지름이 등장하게 되는데 이게 슈바르츠실트 반지름입니다. 사건의 지평선은 블랙홀으 ㅣ경계이며 이 경계 안쪽에서는 어떤 빛이나 정보도 바깥으로 나올수 없게 됩니다. 우주에서 단절된 지점이 물리적으로 한계가 되는 것이죠. 정지된, 비회전 블랙홀은 사실상 위치가 같습니다!
Q. 쌍둥이 역설과 사건의 지평선은 어떻게 연결되나요?
쌍둥이 역설은 특수상대성이론에서 등장하는 유명한 사고 실험이고, 사건의 지평선은 일반상대성이론에 해당하지만, 두개념은 시간의 상대성이라는 공통된 주제를 공유하게 되죠. 똑같은 나이의 쌍둥이 A와 B가 있고 B는 빛에 가까운 속도로 우주여행을 하고 돌아오게 됩니다. 지구에 남아있떤 A는 늙었고, 우주를 다녀온 B는 훨씬 덜 늙게 됩니다. 즉 빠르게 움직이는 쪽의 시간은 느리게 흐르게 된다는 것이죠.이것은 속도에 의한 시간지연이고 특수상대성이론에서 예측되는 현상입니다.블랙홀 근처에선 중력장때문에 시간이 느려지게 되고 중력에 의한 시간지연, 일반상대성이론의 효과입니다. 두 이론 모두 시간은 절대적인것이 아니라 상대적이며 속도나 중력에 따라 다르게 흐른다는 공통된 주장을 하게 됩니다. 둘다 시간이 느려지는 상하ㅗㅇ을 비교하게 됩니다.
Q. 사건의 지평선 근처에서 시간은 어떻게 느리게 흐르나요?
일반상대성이론에 따르면 중력이 강한곳일수록 시간이 더 느리게 흐르는데 블랙홀은 우주에서 강한 중력장을 가진 천체이죠. 사건의 지평선 근처는 중력이 극단적으로 강한곳이며 블랙홀 가까이 다가가는 우주선이 사건의 지평선 근처에 가게 되면서 멀리 떨어진 관측자의 시계로 보면 블랙홀 가까이 다가가는 우주선의 시간이 점점 느리게 흐르게 됩니다. 실제로 수천년이 흐르는것처럼 보이게 되는것이죠. 이는 사건의 지평선 가까이가 중력 퍼텐셜이 깊고 멀리 있는 관측자는 얕게 되고 이 차이로 인해 빛이나 신호가 위로 올라올수록 늘어지고 지연이 되게 됩니다. 중력 퍼텐셜 차이인것이죠. 빛의 적색편이 현상에 의해서 빛은 중력에 의해 에너지를 잃고 적색편이가 이루어지게 됩니다.
Q. 사건지평선망원경는 어떤 방식으로 블랙홀 이미지를 찍었나요?
사건의 지평선 망원경은 전통적인 하나의 망원경이 아니라 지구 전역에 흩어져있는 전파망원경들을 연결하여 만든 거대한 가상의 망원경입니다. 전파간섭계 기술을 활용하고 있으며 지구 크기만한 가상의 전파망원경을 만드는 과정을 거치는것이죠. 블랙홀 자체는 빛을 내지 않지만 사건의 지평선 바로 바깥에 있는 가스와 먼지가 엄청난 중력으로 인해 뜨거워지며 전파를 포함한 전자기파를 방출하게 합니다. 모든 전파망원경은 원자시계를 사용하여 매우 정확한 시간으로 데이터 기록을 하고 있으며 이 시각 동기화가 없으면 데이터를 합치는 것이 불가능하게 되죠. 망원경들이 수집한 데이터는 수백 테라바이트에 달하게 되고 인터넷으로 전송하기엔 너무 많기에 하드디스크에 저장해서 비행기로 모으게 합니다. 미국의 MIT와 독일의 Bonn의 데이터 센터에서 데이터를 합치게 하죠. 수집된 전파 데이터를 합쳐 고해상도의 이미지를 복원하는 과정을 거치게 합니다.
Q. 항성의 질량과 나이는 어떤 관측 자료로 추정하나요?
질량은 별의 특성인데 대부분 항성이 단독으로 있끼에 직접 질량을 재는것이 불가능하기에 간접적인 방법을 이용합니다. 두 항성이 서로를 공전하는 쌍성계의 경우 케플러의 법칙과 뉴턴의 역학을 적용하요 질량을 계산할수 있으며 속도 곡선과 궤도 주기를 이용하여 개별 항성의 질량을 추정하게 하죠. 또한 항성의 밝기와 표면온도를 관측하여 이들을 허츠스프롱-러셀 다이어그램에 위치시켜 항성 진화모델과 비교하여 질량을 추정할수 있게 됩니다. 항성의 나이의 경우 항성진화모델에 기반하여 HR도로 분석하거나 회전 속도를 가지고 나이가 들수록 느려지는 자전속도로 측정을 하거나 항성 내부의 리튬을 시간이 지남에 따라 소모시키거나(젊은별일수록 리튬이 많기 때문) 별 진동학을 이용하여 진동을 분석하고 별의 중심 밀도나 내부 압력등을 추정하게 하지요!