블랙홀은 어떻게 형성될까?
블랙홀은 우주에서 가장 흥미롭고 신비한 물체 중 하나입니다. 블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나갈 수 없는 물체입니다. 빛은 우주에서 가장 빠른 물체이자 우주에서 정보의 원천이기 때문에 블랙홀 내부에는 탈출할 정보가 없어 신비에 싸여 있습니다. 블랙홀은 크기와 질량이 매우 다양하지만 모두 한 가지 공통점이 있습니다. 블랙홀은 모두 사건의 지평선이라는 영역으로 둘러싸여 있다는 것입니다. 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나갈 수 없는 곳이 바로 이 지역입니다. 따라서 지평선 내에서 발생하는 이벤트는 지평선 밖에서 발생하는 이벤트에 영향을 미치지 않습니다. 블랙홀은 정확히 어떻게 형성될까요?
중력 붕괴
블랙홀은 물질의 중력 붕괴에 의해 형성됩니다. 이론적으로 어떤 물체라도 충분히 붕괴되면 블랙홀이 될 수 있습니다. 지구를 포함한 모든 물체에는 슈바르츠실트 반경이라는 것이 있습니다. 슈바르츠실트 반경은 물체가 중력 붕괴에 의해 블랙홀이 되는 크기입니다. 예를 들어, 지구의 슈바르츠실트 반지름은 약 0.35인치(0.88cm)입니다. 지구가 어떻게든 이 반경까지 무너지면 블랙홀이 될 것입니다.
블랙홀은 일반적으로 무거운 별이 일생의 마지막 단계에 도달할 때 형성됩니다. 모든 별은 핵융합 과정에서 움직입니다. 핵융합 과정에서 항성 중심핵의 높은 온도와 압력으로 인해 원자가 융합되어 무거운 원자가 형성되고 그 과정에서 많은 에너지가 방출됩니다. 별의 경우 핵융합의 주요 연료는 수소입니다. 그러나 모든 별에는 제한된 양의 수소만 포함되어 있으며 결국 연료가 고갈되기 시작합니다. 무거운 별에 수소 연료가 고갈되기 시작하면 더 무거운 원소가 벽난로 재처럼 중심부에 쌓이기 시작합니다. 핵융합의 에너지가 없으면 별의 거대한 중력에 대항할 수 없으며 붕괴되기 시작합니다. 그러나 별이 붕괴하면서 압력이 증가하면 더 무거운 원소가 융합되어 일정 기간 동안 별에 더 많은 연료를 공급합니다. 가장 무거운 별의 경우 핵이 철을 형성할 때까지 핵융합 과정이 계속됩니다. 철이 형성되면 별의 운명은 봉인됩니다. 철 융합은 방출되는 것보다 더 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 철은 에너지 공여체라기보다는 에너지 흡수체입니다. 별의 중력이 완전히 통제되어 별이 스스로 무너집니다.
별이 붕괴된 후 어떻게 되는지는 질량에 따라 달라집니다. 태양질량 2~3개의 별은 중성자별이 되고 나머지는 초신성으로 폭발합니다. 그러나 별이 이 질량 범위를 초과하면 별의 중력 붕괴는 중력이 너무 강해져서 빛조차 빠져나갈 수 없을 때까지 계속됩니다. 이것이 일어나면 별의 핵은 항성 블랙홀이 됩니다.
초거대질량 블랙홀
위의 과정이 항성 블랙홀이 어떻게 형성되는지를 설명하지만, 별의 중력 붕괴로 직접 형성하기에는 너무 큰 또 다른 유형의 블랙홀이 있습니다. 이러한 유형의 블랙홀은 초대질량 블랙홀이라고 하며 일반적으로 거대한 은하의 중심에 존재합니다. 우리 은하에도 백만 개 이상의 태양의 중심 질량을 가진 초거대질량 블랙홀이 있습니다. 다른 것들은 태양보다 수십억 배 더 클 수 있습니다. 초거대질량 블랙홀은 너무 커서 별의 중력 붕괴로 형성되지 않으며 그 기원은 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 그들이 어떻게 형성되었는지에 대한 두 가지 주요 아이디어가 있습니다. 첫째, 초대질량 블랙홀은 아마도 최초의 별이 형성되기 전에 초기 우주에서 가스 구름의 중력 붕괴로 인해 형성되었을 수 있습니다. 둘째, 수백 개의 항성 블랙홀이 충돌하고 합쳐져 형성되었을 수 있습니다.
