과신성(過新星)폭발(Hypernova)과 블랙홀(Black hole)

과신성(過新星)폭발(Hypernova)

- 중력붕괴되는 핵안으로 핵의 중간층이 빨려 들며 일으키는 폭발 -

 

오랫동안 천문학자들은 선이 우리 은하계 내부에서 발생한다고 생각해 왔었고, 그렇다면 선이 우리 은하계 판에서만 발생을 해야 합니다. 그렇지만 우리 은하계에서만 국한되어 발생하는 것이 아님이 관측 위성인 CGRO(Compton Gamma-Ray Observatory)에 의해 밝혀졌습니다. 따라서 우리 은하계의 밖에서 발생한 선을 우리가 관측할 수 있으려면, 선 발생은 우리가 생각했던 것 보다 훨씬 커야 한다는 결론이 나오게 되죠. 애초에는 하늘에서 발생하는 선을 설명하기 위해 만들어진 이론(GRB: gamma-ray burst)에 불과했었지만, 이미 이론의 단계를 넘어서, 그 증거의 후보들을 마주할 수가 있는 것이 과신성 폭발입니다.

과신성 폭발을 일으키는 원인으로써, 거대한 질량을 갖는 별의 폭발이나, 쌍둥이별들 간의 충돌을 꼽고 있는데, 폭발할 때 막대한 에너지를 선의 형태로 방출하게 됩니다. 거대한 질량의 폭발의 과정은 초신성 폭발과 유사합니다. 초신성 폭발의 경우에는 중성자들의 축퇴압으로 인해 더 이상의 수축이 진행되지 못하고 중성자별을 형성하게 되지만, 과신성 폭발의 경우에는 중성자들의 축퇴압 보다 질량으로 인한 중력 붕괴가 더 크기 때문에, 빛조차도 빠져 나가지 못할 정도의 고밀도로 핵이 중력 붕괴를 하게 됩니다.

별의 폭발이 과신성 폭발의 원인일 경우, 중력 붕괴된 핵 안으로 중간층이 빨려 들면서 가열되어 폭발을 일으키는데, 거의 광속에 가까운 속도로 물질들을 방출하게 됩니다. 방출된 물질들이 별의 바깥 부분을 뚫고 차가운 우주 공간으로 퍼져나가면서, 점차로 선에서 x선으로, 다시 자외선과 가시 광선으로, 방출되는 빛의 에너지가 줄어들게 됩니다. 과신성 폭발은 흔히 초신성 폭발보다 10배는 더 강력하며, 어떤 원인에 관련이 되어있건, 블랙홀로 가기 위한 폭발입니다. 그래서 일단 한 번 폭발이 이루어지면, 다시는 폭발의 기미를 보이지 않습니다.

 

블랙홀(Black hole)

 

- 막대한 중력으로 인해 공간이 꺼지면서 형성된 구멍 -

 

지금까지는 빛의 우주였습니다. 이제 잠시나마 어둠의 우주에 대해서 알아 보겠습니다. 다른 시각에서는 우주를 구성하는 별이나 성운과 같은 요소들 보다 더 높은 비중을 차지하는 블랙홀입니다.

질량이 비교적 가벼운 별의 경우에는 전자의 축퇴압이 중력과 균형을 이루며 백색왜성을 탄생시키고, 그 보다 질량이 무거운 경우에는 중성자의 축퇴압이 중력과 견주며 중성자별이 탄생합니다. 하지만 중성자별이 생성될 수 있는 질량을 넘어서는 묵직한 별의 경우에는, 어마 어마한 중력과 맞설 힘이 더 이상은 자연에 존재하기 않으므로, 과신성 폭발을 거쳐 블랙홀이라는 단계에 이릅니다. 빛을 포함한 어떠한 물질도 일단 블랙홀의 중력에 잡히면 빠져 나갈 수 없기에, 새까맣게만 보이는 우주 공간과의 구분이 안 됩니다. 그렇기 때문에 관찰이 불가능합니다. 블랙홀은 별이라기 보다는, 별의 높은 밀도로 인해, 공간이 푹 꺼진 상태를 지칭합니다.

 

 

1. 블랙홀

블랙홀은 어떤 물체도, 심지어는 빛조차도 빠져나갈 수 없기 때문에, 깜깜한 우주 공간과는 전혀 구분이 안 되지만, 유입원반의 물질들이 블랙홀로 떨어져 내리며 발산하는 X선 덕분에 간접적으로나마 관찰할 수가 있습니다. 중성자별과는 조금 다르게, 블랙홀의 경우, 중력이 워낙 강하여, 떨어져 내리는 유입물들이 서로 빽빽이 밀착이 되기 때문에 서로간의 마찰에 의한 X선도 발산이 됩니다.

 

보통은 태양 질량의 3배 정도가 되는 별이라면, 블랙홀로의 진화가 가능합니다. 블랙홀에서 어떤 것도 탈출이 불가능한 지역이 따로 있습니다. 그런 지역을 제외한 부분에서는 어느 정도의 빛, 특정한 파장의 빛이 탈출을 할 수가 있기 때문에, 두 경계부분을 블랙홀의 수평선(event horizon)이라고 합니다. 이 수평선의 반지름을 Schwarzschild 반지름이라고 합니다.

블랙홀을 관찰하기 가장 좋은 환경은, 주변으로 급변하는 x선이 많이 관찰되는 혼자 있는 별에 X선 망원경의 초점을 맞추면 됩니다. 그 별의 부스러기들이 블랙홀에 흡수되는 와중에 충분히 가속되기 때문에, x선이 많이 발산됩니다. 또한 블랙홀의 질량이 매우 크기 때문에, 주변의 별이 블랙홀을 중심으로 빠르게 공전을 합니다. 그래서 혼자 있는 별이 보이지 않는 무엇인가를 중심으로 빠르게 회전을 하며, x선을 발산을 하면, 백이면 백, 블랙홀이 존재하게 되는 것입니다. 은하계의 중심부에 위치하는 블랙홀은 주변의 물질들이나 별들을 흡수해서 점차로 자라나게 됩니다.

물론 어느 정도의 양을 먹고난 블랙홀이 화장실을 가는 경우를 말하는 학자들도 분명히 있고, 화이트홀(white hole)이나 블랙홀과 화이트홀을 연결해 주는 벌레구멍 (warm hole)이라는 존재를 공상과학 영화나 소설에서 많이 다루고 있지만, 이에 대해서는 생략하겠습니다. 우리 은하계를 다루게 되는 다음 장에서 나오겠지만, 은하계들 각자의 중심에도 블랙홀이 존재하지만, 지금 여기에서 다루는 블랙홀과는 무엇보다도 질량면에서 다릅니다.

 

 

2. 떠돌이 블랙홀

이미 떠돌이별에 대한 설명이 있었지만, 블랙홀이란 무거운 별이 들어서게 되는 마지막 관문인 만큼, 떠돌이 블랙홀도 있을 수 있다는 짐작이 설 겁니다. 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그에 따른 증거도 수집되고 있습니다. 블랙홀이 홀로 떠돌게 되면, 중력 렌즈 현상 외에 뚜렷이 관찰할 것이 없지만, 짝꿍별과 함께 떠도는 블랙홀의 경우에는 방출되는 x선을 측정함으로써 블랙홀의 존재를 알 수가 있습니다.

 

주로 오래된 별들의 집단인 구상성단이 이런 떠돌이 블랙홀의 고향입니다. 오래 전에 거대한 별의 과신성 폭발로 인해 생성된 블랙홀이, 근처에 있던 다른 별의 초신성 폭발의 여파에 휩쓸리면서 구상성단으로부터 쫓겨 나게 됩니다. 그 예로, XTE J1118+480를 들 수가 있습니다.

 

그럴 리는 없겠지만, 만의 하나, 떠돌이 블랙홀이 태양계에 아주 가까이 접근을 한다면, 한편으로는 일찍이 본 적이 없는, 휘황찬란한 우주의 쇼를 관람하게 되겠지만, 또 다른 한편으로는 그 동안 발달해 왔던 인류에게는 최후의 통첩과 일치하는 놀랄만한 일들이 벌어질 겁니다. 우선은 태양계에 접근한 블랙홀이 오르트 구름내에 산재해 있는 얼음 바위 덩어리들을 무더기로 튕겨내면서 태양계내의 장주기 혜성의 수를 기하급수적으로 대폭 늘릴게 되며, 좀 더 가까이 접근해서는 카이퍼 벨트내의 바위 덩어리들을 단주기 혜성으로 튕겨낼 것입니다. 하지만, 이런 현상이 블랙홀로 인해 발생하고 있다는 사실을 알기가 쉽지 않을 겁니다. 보이지 않기 때문이죠.

또한 안쪽으로 진행을 한 블랙홀이 이번에는 가스로 이루어진 거대한 행성인 토성이나 목성의 궤도 옆을 지나치면서, 가스로 이루어진 거대한 행성들을 게눈 감추듯이 한 입에 뚝딱한 블랙홀은 트름 할 시간도 없이, 더 가까이 와서는 소행성들에 대한 교란을 시도하면서, 지구와 태양에게 점차로 접근하게 됩니다. 블랙홀이란 놈이 워낙 뻔뻔스러운 놈이라서요.

 

사람들은, 심지어는 개도, 일정량을 먹고 나면 더 이상은 먹지 않기 마련이고, 빈대도 낯짝이 있다는 말도 엄연히 존재하건만, 블랙홀이란 놈은 먹을수록 위대해지는, 요상한 특성이 있습니다. 위가 점차로 커지고 마니까, 더 많은 것을 집어 삼키게 되는 것이죠. 그러다가 가끔씩은 먹던 것을 뱉어 내기도 합니다.

집어 삼킬수록 점점 배가 더 고파지는 블랙홀이 이번에는 태양 옆으로 엄폐해서 접근하게 됩니다. 아무 것도 눈치 못 채고, 목성과 토성이 어디 마실 갔나 하며 뒤를 돌아 보고 있는, 순진한 태양의 옆으로 최대한 접근한 블랙홀이 드디어는 태양을 꽉 집어 삼키고 맙니다. 최종적으로는 유입원반을 형성하며 태양을 빨대로 빨아 들이듯이 집어 삼키게 되겠지만, 태양까지 도달하기도 전에, 이미 혜성과 소행성들의 갑작스러운 증가로 인해 지구의 인류는 대단한 위험을 맞이하게 될 것입니다.