사건의 지평선과 작용권, 블랙홀

 블랙홀은 질량이 너무 커서 빛조차 탈출할 수 없는 존재에 대한 개념을 가지고 있다. 초신성 폭발 직후 무거운 별이 중력 붕괴하여 만들어진 밀집성의 일종인 중성자별이 되지 못한 항성이 진화의 최종단계에서 폭발 후 수축하여 생성된 것으로 추측된다. 강력한 밀도와 중력으로 전자기 복사, 빛을 포함하여 그 무엇도 한번 들어가게 되면 절대 빠져나올 수 없는 시공간 영역이다. 시공간은 공간의 3차원과 시간의 1차원을 한 단일 4차원 연속체로 융합하는 수학적 모형이다. 블랙홀로부터의 탈출이 불가능해지는 경계를 사건의 지평선이라고 하는데 이 사건의 지평선 존재는 블랙홀의 결정적인 특징이라고 할 수 있다. 사건의 지평선이라는 이름은 그 경계에서 '사건'이 벌어지는데 그 사건에 대한 정보는 외부의 관찰자에게 도달할 수 없어 그 사건이 일어났는지 여부조차 알 수 없다는 의미를 갖고 있다. 사상의 지평선이라고도 불리는 이것은 물질과 빛이 블랙홀의 질량을 향해 안으로 들어갈 수만 있고 밖으로 나올 수 없는 시공간의 경계로써 일반 상대성 이론에서는 블랙홀 내부에서 일어난 사건이 그 외부에 영향을 줄 수 없는 경계면을 뜻하며 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우, 그 물체는 엄청나게 큰 영향이 가해지겠지만 바깥 관찰자 입장에서는 속도가 점점 느려져서 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보인다. 심지어 빛마저도 사건의 지평선 안쪽에서 바깥쪽으로 탈출할 수가 없다고 한다. 또한 블랙홀은 빛을 반사하지 않기 때문에 진동수와 입사각에 관계없이 입사하는 모든 전자기 복사를 흡수하는 이성적인 물체인 흑체처럼 행동한다. 블랙홀의 안쪽을 들여다볼 수는 없지만 블랙홀이 질량과 부피를 갖는 존재로 정의되는 다른 물질과 상호작용하는 것을 통해서 블랙홀의 성질을 알아낼 수 있다. 블랙홀 위로 낙하하는 물질은 중심 물체의 주변을 궤도 운동하는 확산 물질에 의해 형성되는 구조를 지닌 강착원반 또는 응축 원반을 형성하고 이 원반은 마찰열로 인해 뜨거워져 열복사로 빛난다. 블랙홀 주변을 공전하는 다른 항성이 있을 경우 그 궤도를 통해서 블랙홀의 질량과 위치를 정할 수 있다. 일반 상대성 이론에서 무모 정리란 블랙홀의 모든 특성은 질량, 전하, 각운동량에 의해서만 결정된다는 이론으로 블랙홀은 형성된 이후 안정된 상태에 도달하면 오로지 세 개의 독립적인 물리량, 즉 질량, 전하, 각운동량만을 갖게 된다. 어느 물체가 블랙홀을 향해 낙하하게 되면 그 물체의 모양이나 그 물체에 분포하고 있는 전하에 대한 정보가 블랙홀의 지평선을 따라 균등하게 분산되면서 블랙홀 바깥의 관찰자에게는 그 정보가 소실된다. 가장 간단한 블랙홀은 질량만 있고 전하나 각운동량은 가지지 않는 블랙홀이다. 블랙홀은 오직 세 개의 변수에 의해 안정적 상태에 도달하기 때문에 블랙홀 안에서 최초의 상태에 관한 정보를 소실하지 않을 수 있는 방법은 없다고 한다. 이렇게 소실되는 정보에는 블랙홀 지평선에서 멀리 떨어진 곳에서는 측정할 수 없는 모든 물리량이 포함된다. 블랙홀 중심에는 일반 상대론에 따라 시공간의 곡률과 밀도가 무한대가 되는 곳인 중력 특이점이라는 것이 존재한다. 중력 특이점은 어느 부분에서 중력장을 설명하는 일부 수량이 무한대인 시공간의 영역으로 회전 하지 않는 블랙홀의 특이점은 하나의 점 형태를 가지고 있으며 회전하는 블랙홀의 경우에는 회전 평면상의 고리 모양을 갖고 있다. 두 가지의 특이점의 부피는 0이라고 하며 블랙홀 해에서 구해지는 질량은 모두 특이점에 모여있다. 그렇기 때문에 특이점의 질량, 밀도는 무한대가 될 것이라고 예상한다. 회전하는 블랙홀의 외부에 위치하는 영역으로 블랙홀로부터 에너지를 얻는 것이 가능한 공간이 작용권이라고 하는데 회전하는 블랙홀 주위에는 멈춰 선 상태를 유지하는 것이 불가능해지는 시공간이 형성된다. 이 작용권은 일반 상대성이론이 예측하는 현상으로써 질량이 매우 큰 물체가 회전하면 발생하는 중력효과로 주변의 시공간도 따라서 같이 회전하는 틀 끌림이라는 과정의 결과물이라고 한다. 블랙홀의 작용권 안쪽 경계는 사건의 지평선이고 바깥쪽 경계는 회전타원체를 이루고 있다. 블랙홀의 양극에서는 작용권과 사건의 지평선이 겹치는 부분을 가지고 있고 적도로 갈수록 작용권이 부풀어 오른다. 여기에 들어간 물체들은 정지되어 있는 상태를 유지할 수 없다고 한다. 물체가 작용권에만 들어갔고 사건의 지평선은 넘어가지 않았다고 하면 그 물체는 바깥쪽으로 탈출이 가능하다. 블랙홀의 회전 에너지를 이용하여 물체는 들어갈 때보다 더 많은 에너지를 가지고 작용권에서 나올 수 있다. 이러한 블랙홀은 일단 형성된 뒤에도 질량을 추가로 흡수하면 성장할 수 있다. 모든 블랙홀은 주변의 기체, 우주의 존재하는 작은 입자들로 구성된 먼저의 일종인 성간진 등을 계속해서 흡수한다. 1974년 호킹은 블랙홀은 완전히 검지 않으며, 작은 양의 열복사를 내보낼 것이라고 예측했으며 그러한 현상을 현재 호킹 복사라고 부른다. 호킹 복사는 양자 요동 현상으로 인해 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 입자와 반입자의 쌍생성 된다. 그때 발생한 두 입자 중 어느 하나가 블랙홀로 들어가고 다른 하나는 탈출한다고 하면 그 탈출한 입자는 블랙홀에서 입자를 방출하는 것처럼 보이게 되고 에너지는 보존되어야 하기에 외부에서는 블랙홀은 에너지를 잃은 것처럼 보인다. 여기서 중요한 것은 항상 음의 에너지를 가지는 쪽을 블랙홀이 흡수해야 한다는 것이다. 이 이론에 따르면 블랙홀은 작으면 작을수록 더 많은 열복사를 방출한다고 한다.