블랙홀 증발 이론 > 행 성

블랙홀이 증발해 버린다는 것은 도대체 어떤 현상일까? 보통 태양의 무게(1.99 X 삼십에 삼십승 Kg)정도의 블랙홀을 생각할 때에는 그 크기는 거시적 (반지름 3Km이상)이므로, 양자론 등은 생각하지 않아도 된다.

그러나 블랙홀이 양성자 정도로 작다면 양자 효과를 무시할 수 없다. 블랙홀의 크기는 질량에 비례하고 가벼운 블랙홀일수록 양자 효과는 중요한 비중을 차지한다.

블랙홀의 질량이 10억톤 이하가 되면 큰 영향이 나타난다. 호킹은 그러한 작은 블랙홀이 형성된 경우를 상정 한 것이다.

그 결과 블랙홀은 어떤 온도로 빛나고 있는 것처럼 보이고, 블랙홀에서는 에너지가 나오는 것을 알았다. 그 가운데 81%가 중성미자 17%가 광자로서 복사되고 나머지 2%는 중력자로서 나온다, 입자를 방출하여 에너지를 잃으면 블랙홀의 질량 역시 감소한다. 질량이 줄면 그것에 반비례하여 온도는 상승하므로 입자가 더욱 많이 나오게 된다.

블랙홀은 가속적으로 그 질량 에너지를 잃고 마지막에는 소멸한다. 그 최후의 순간은 증발하는 정도의 간단한 것이 아니라 폭발에 가깝다고 할 수 있다. 왜냐 하면 이 상정에서는 1000톤의 블랙홀이 1초라는 짧은 시간 동안에 소멸 하고 그 모든 것이 에너지로 변환되기 때문이다.

그렇다면 블랙홀의 수명은 어는 정도일까? 태양 정도의 무게의 거시적 블랙홀에서는 그 온도가 100만분의 1K(절대온도)로서 매우 낮고 증발, 소멸하는 데까지 우주나이 (150억년)의 십의 오십사승배나 걸린다. 별의 진화에 마지막에 생기는 블랙홀이나, 은하 중심핵에 존재한다는 거대한 블랙홀에서는 이러한 증발에 따른 영향은 거의 무시할 수 있다.

그러나 무게가 10억톤의 블랙홀은 지금 막 증발하여 소멸하려 하고 있을 것이다. 그 온도는 1조도씨에 이르고 그 최후는 폭발인 것 같으므로 고에너지의 감마선을 방출한다. 현재로서는 아직 그 증거를 찾아내지 못하였지만 머지않아 감마선원의 하나로서 발견될지 모른다.

그렇다면 블랙홀의 증발이라는 현상은 모두 해명된 것일까? 그 대답은 그 최후의 최후, 즉 블랙홀의 무게가 0.00002g 이하가 되었을때를 모르고 있다. 크기로 해서 십의 마이너스 삼십삼승Cm 무게로 0.00002g까지 작아진 블랙홀의 운명은 알 수가 없는 것이다.

우주는 어떻게 진화해 나가는가....

물체를 빨아들이기만 하는 천체 블랙홀이 우주에 있으면 ,우주의 모든 물질이 블랙홀에 빨려들어가 블랙홀만이 남는 것이 아니냐는 의문이 생긴다. 또 반대로 블랙홀이 증발하면, 우주에서 블랙홀이 소멸 되어 버릴지도 모른다.

여기서 블랙홀이 존재하는 우주가 어떠한 운명을 맞이하게 될 것인가에 대해 생각해보자.

우리의 우주는 지금 팽창하고 있다. 그 우주가 앞으로 어떻게 진화해 나갈것인가는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따라 예언할 수 있다. 그의 이론에 따르면 우주의 미래에는 두 가지 가능성이 있고, 그것을 결정하는 것은 우주 물질의 밀도이다. 물질 사이의 중력은 우주의 팽창을 막으려고 하므로 우주 물질의 밀도가 높을수록 미래의 우주팽창은 늦어진다. 그 결과 현재의 밀도가 어느 임계밀도 이상에서는, 어느 시기에 우주는 팽창에서 수축으로 돌아서게 된다.

이 우주는 닫힌 우주라 불리며, 우주의 부피는 유한이다. 수축으로 돌아선 다음 그 우주는 유한 시간에서 없어지게 된다. 반대로 우주의 밀도가 이 임계밀도 이하인 경우에는 부피가 무한대인 열린 우주가 된다. 이 때 우주는 영원히 계속 해서 팽창한다.

그렇다면 현재의 실제 우주 밀도는 어느 정도인가? 안타깝게도 그 답은 아직 나와 있지 않다. 그것은 우주 물질의 대부분을 구성하는 암흑물질의 양을 아직 잘 모르고 있기 때문이다. 우주가 영원히 계속해서 팽창할 것인가, 아니면 어느 시기에 수축으로 돌아서 결국 사라지고 말것인가? 이러한 우주의 운명은 암흑물질에 달려있다.

가령 우주가 닫힌 우주일 경우, 우주는 미래의 어떤 시기에 팽창에서 수축으로 돌아선다. 블랙홀의 존재가 이 사실을 바꾸지는 못한다. 블랙홀은 주위로부터 물질을 흡수하여 점점 커질 것이고, 또 두 블랙홀이 충돌하면 하나의 더욱 큰 블랙홀이 될 것이다. 호킹이 제시한 블랙홀의 정리에 따르면 블랙홀은 분열하지 않는것으로 알려져 있다. 그렇게 생각하면 블랙홀은 자꾸만 합체하여 우주에는 오직 1개의 블랙홀만이 남게 되는 것이다.

그러나 닫힌 우주의 경우 우주의 나이는 유한이고, 우주는 수축하여 결국 짜부라 들고 만다. 수많은 블랙홀끼리 충돌하여 하나로 합체되기에 앞서 우주는 깨어지고 말 것이다. 그러므로 우주가 끝날때는 많은 블랙홀이 그대로 존재하고 마침내 최후를 맞게 될 것이다.

블랙홀에서 우주의 미래로...

한편 열린 우주의 경우에는 어떻게 될 것인가? 이 경우 우주는 영원히 팽창을 계속하므로 시간이 충분하여 모든 블랙홀이 하나로 합체할 것처럼 생각되지만, 사실은 그렇지 않다. 이 경우 우주의 팽창으로 블랙홀의 간격은 점점 벌어지고, 블랙홀끼리 충돌할 빈도는 자꾸만 줄어든다. 그러는 동안에 블랙홀의 증발은 시작되고 ,마침내 블랙홀은 증발 소멸의 과정을 밟는다.

블랙홀이 증발하여 소멸하는 데 걸리는 시간은 태양 질량 정도의 블랙홀에서도 우주 나이의 십의 오십사승배나 걸린다. 이것이 은하 중심에 있다고 하는 가장 무거운 블랙홀이라면 정신이 아득해질 정도의 숫자가 나온다.

블랙홀의 증발 등은 생각하지 않아도 될 것 같지만, 지금의 경우 우주는 무한히 팽창을 계속하므로 시간은 얼마든지 있는 것이다. 아주 적은 증발이라고 해도 최종적으로는 블랙홀의 소멸과 연결되는 것이다.

우주의 수명이 무한대라고 하면, 블랙홀의 증발 이외에도 생각해야 할 효과가 있다. 그것은 양성자의 붕괴이다. 소립자의 대통일 이론이 옳다면 양성자 등의 원자핵을 구성하는 기본 입자도 불안정하게 되어 마지막에는 전자나 양성자, 중성미자 등의 가장 가벼운 안정 입자만 남게 된다.

그 결과, 블랙홀에서 나온 질량0인 입자(중성미자, 광자, 중력자)와 양성자 붕괴의 결과로서의 양전자, 그리고 처음부터 존재한 전자만이 남는다.

모든 구조도 소멸되고 매우 희박한 우주가 팽창을 계속할 뿐이다. 우주의 운명은 완전히 빈 우주가 되어 버리든가, 또는 유한의 생명을 가진 우주가 되어 버리든가의 둘 중의 하나인 것이다.

블랙홀은 그 자신의 기묘한 움직임으로 주목을 받고 잇는 것은 아니다. 그의 진화는 우주 전체의 운명과 연관되어 있을 분만 아니라, 힘의 통일 이론이나 물질의 궁극 이론을 푸는 큰 열쇠를 지고 있는 것이다.

추천1 비추천0