블랙홀이 유지되기 위해서 최소 임계치 질량이 필요한 이유가 무엇인가요
블랙홀이 생성되고 유지되기 위해서는 최소 임계치 질량이 필요하다고 하는데요
그렇다면 왜 최소임계치 질량이 필요한 이유가 무엇인지 궁금하네요
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.
블랙홀은 빛까지 빠져나가지 못할정도로 강한 중력을 가져야 되기 때문에 질량이 그만큼 강해야 합니다.
별의 질량에 따라 수명이 다하면 다양한 형태로 변하게 되는데, 가장 질량이 큰 별들이 블랙홀이 된다고 생각됩니다.
1명 평가안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
블랙홀은 항성이 중력에 의해 완전히 붕괴할 때 형성됩니다. 항성이 진화 마지막 단계에서 핵융합이 멈추면, 내부에서 방출되는 복사압(핵융합에 의해 발생하는 압력)이 중단되고, 항성의 자체 중력이 이를 이기게 됩니다. 이때 항성의 중력이 점차 강해지며 내부로 붕괴하게 되는데, 이 붕괴가 블랙홀이 될지 아니면 중성자별로 끝날지는 항성의 질량에 의해 결정됩니다. 태양 질량의 약 1.4배 이하의 항성은 백색 왜성으로 붕괴하게 됩니다. 질량이 1.4~3배 정도 되는 항성은 중성자별로 붕괴합니다. 항성의 질량이 톨만-오펜하이머-볼코프 한계(TOV 한계, 약 2.17 태양질량 이상)를 넘으면, 중성자들의 압력조차도 중력을 견디지 못하고 블랙홀로 붕괴하게 됩니다. 즉, 블랙홀이 형성되기 위해서는 충분한 질량이 있어야만 중력 붕괴가 일어나고, 중력 붕괴로 인한 압축이 너무 강해 탈출 속도가 빛의 속도보다 빠르게 되어 빛조차 빠져나갈 수 없는 상태를 만들어야 합니다. 이를 위해서는 최소한의 질량이 필요합니다. 블랙홀의 핵심은 그 물체의 중력이 슈바르츠실트 반지름을 초과할 정도로 강해지는 것입니다. 슈바르츠실트 반지름은 주어진 질량에 대해 중력이 모든 물체를 한 점으로 끌어당길 수 있는 이론적인 한계로, 이 경계를 넘어서면 탈출 속도가 빛의 속도보다 커져 빛조차 빠져나갈 수 없습니다. 이를 위해 충분한 질량이 필요합니다. 예를 들어, 태양의 질량이 그대로지만, 그 크기가 슈바르츠실트 반지름인 약 3km 이내로 압축되면, 블랙홀이 될 수 있습니다. 그러나 질량이 충분히 크지 않으면 이 크기로 압축될 수 있는 힘을 만들지 못하고 블랙홀이 형성되지 않습니다. 항성이 중력 붕괴를 견디기 위해 내부에서 발생하는 압력(전자축퇴압이나 중성자 축퇴압 등)이 있지만, 이 압력을 이기고 블랙홀로 붕괴하려면 일정 이상의 질량이 필요합니다. 작은 항성의 경우, 전자축퇴압이 중력 붕괴를 막아 백색왜성으로 남고, 조금 더 큰 항성의 경우 중성자 축퇴압이 작용해 중성자별로 붕괴합니다. 그러나 임계 질량을 초과한 항성은 중성자 축퇴압조차도 중력 붕괴를 막지 못해 블랙홀로 붕괴하게 됩니다. 이때 필요한 최소 질량이 바로 임계 질량입니다.