블랙홀은 사라질까?
이 우주에 영원한 것은 없습니다. 별, 행성, 은하조차도 결국 존재하지 않습니다. 하지만 블랙홀도 언젠가는 사라질까요? 스티븐 호킹은 블랙홀이 영원히 지속되지 않는다는 사실을 처음으로 깨달았으며, 수조 개가 넘는 블랙홀이 줄어들고 사라질 것임을 증명했습니다.
카피 호킹
스티븐 호킹은 블랙홀이 실제로 호킹 복사라고 하는 일종의 복사를 방출한다는 사실을 발견했습니다. 우리는 일반적으로 블랙홀을 주변의 모든 것을 빨아들이는 우주 진공이라고 생각하지만 실제로는 블랙홀의 중력에서 벗어날 수 있는 것들도 있습니다. 모든 블랙홀을 둘러싸고 있는 것은 사건의 지평선이라는 비가역적인 경계입니다. 사건의 지평선은 블랙홀의 탈출 속도가 빛의 속도를 초과하는 경계입니다. 사건의 지평선 밖에 있는 모든 것은 영원히 사라집니다. 이벤트 호라이즌 내에서 발생하는 이벤트는 이벤트 호라이즌 외부에서 발생하는 이벤트에 영향을 미치지 않기 때문에 이벤트 호라이즌이라고 합니다. 빛을 포함하여 그 어떤 것도 사건의 지평선을 벗어날 수 없기 때문에 블랙홀은 어떻게 호킹 복사를 방출할까요?
호킹 복사가 어떻게 생성되는지 이해하려면 양자 세계의 특정 측면을 이해하는 것이 중요합니다. 가장 작은 규모에서 공간에 포함된 에너지는 소위 반입자 쌍을 생성할 수 있습니다. 기본적으로 두 개의 반대 전하를 띤 입자가 자발적으로 존재할 수 있습니다. 반대 전하를 가지고 있기 때문에 반입자 쌍은 일반적으로 충돌하여 서로를 상쇄하므로 총 전하가 0이 됩니다. 이를 통해 반입자 쌍이 질량 및 에너지 보존을 위반하지 않고 자발적으로 존재할 수 있습니다. 공간의 에너지 함량이 높을수록 반입자 쌍이 더 자주 발생합니다.
블랙홀의 사건 지평선 근처에는 반입자 쌍이 규칙적으로 존재합니다. 그러나 때때로 한 쌍의 반입자가 존재할 때 입자 중 하나는 블랙홀로 떨어지고 다른 하나는 우주로 탈출합니다. 호킹 복사 수학에 따르면 항상 블랙홀에 떨어지는 입자는 음전하를 띤 입자입니다. 음의 입자가 블랙홀에 떨어지면 실제로 블랙홀의 질량이 약간 줄어듭니다. 무수한 쌍의 반입자가 형성되면서 블랙홀의 총 질량은 점차 감소합니다. 양성 입자는 블랙홀의 중력을 벗어나 호킹 방사선으로 우주로 탈출합니다.
블랙홀은 얼마나 오래 존재할까요?
모든 블랙홀은 호킹 복사를 방출하지만 호킹 복사의 양은 블랙홀의 표면적과 직접적인 관련이 있습니다. 블랙홀이 작을수록 더 많은 호킹 복사를 방출합니다. 블랙홀이 클수록 방출하는 호킹 복사가 적습니다. 따라서 큰 블랙홀은 작은 블랙홀보다 오래 지속됩니다. 사실, 우주에 있는 대부분의 블랙홀은 과학자들이 우주에서 아직 감지하지 못한 호킹 복사를 아주 적게 방출합니다.
태양 질량을 공전하는 블랙홀의 예상 수명은 10^67년입니다. 이 숫자는 뒤에 67개의 0이 오는 숫자입니다. 인간의 마음으로는 진정으로 이해할 수 없는 시간 척도. 블랙홀은 너무 오래 존재할 것이며 오늘날 우리가 보는 더 작은 블랙홀도 마지막 별이 타버린 후에도 오랫동안 존재할 것입니다.