블랙홀 안으로 들어가면 어떻게 될까?

쉽지 않은 일이지만 아주 재미있는 일 일것이다

인터스텔라에서 상당히 그럴듯하게 나온 블랙홀 장면을 봤을텐데 현실에 가까운지 아닌지도 비교해보자

수학적으로는, 어떤것이든 특정 크기로 압축시키면 블랙홀이된다

예컨데 나든 이글을 보는 당신이든 컴퓨터든 각각에 해당하는 '슈바르츠실트 반지름'을 가지고는데

이에 해당하는 아주 작은 공간 내에 압축시키면 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나오지 못하게된다 

에베레스트산을 1나노미터보다 작은 크기로 압축시키면 블랙홀이 된다

또, 지구를 땅콩만한 크기로 압축시키면 블랙홀이 된다

다행히도 에베레스트산이나 지구를 그렇게 작게 압축시키는 방법은 알려져있지 않다 

그러나 태양보다 훨씬 큰 별들은 매우 큰 슈바르츠실트 반지름을 가지고 있고

연료를 다 소모해 뜨겁게 유지되지 못하게 되면 중력의 힘을 이기지못하고 스스로 붕괴해버린다 

이 때 크기는 무한소의 부피와 무한대의 밀도를 가진 '특이점'이 형성된다

슈바르츠실트 반지름 안쪽은 빛조차 탈출하지 못하므로 관측할 수 없다 

(중요한 점은 이렇게 작게 압축되면서 좀 더 '가까이' 갈 수 있다는 점이다 

그저 중심부로 가까이 가는것은 도움이 안된다

예를 들어 지구의 표면이 중력이 셀까 아니면 땅속에서 중력이 셀까?

표면은 중심에서부터 더 먼데도 중력은 더 세다

땅 속에서는 중력의 방향이 일관적이지 않아서 상쇄되므로 오히려 중력이 작다

그래서 중력을 강하게 만들고싶으면 더 작게 압축시켜야하는것이다)

그럼 슈바르츠실트 반지름 밖의 모습은 어떨까?

중력이 공간 자체를 구부리기 때문에 빛의 경로조차 중력에 의해 휘어진다

실제로는 A위치에 있는 별빛이, 태양의 중력에 의해, 지구에 들어올 때는 B위치에서 곧장 온것처럼 들어온다

그래서 지구에 있는 관측자 입장에서는 별이 B위치에 있는것처럼 보인다

만약 태양이 아니라 훨씬 질량이 큰 은하계나 블랙홀이 근처에 있는 경우라면 이 효과는 훨씬 커진다

우주에는 정체를 알 수 없는 보이지 않는 암흑물질들이 있는데 이것들이 매우 큰 질량규모로 모여있는 경우

위에서 말한 효과에 의해 마치 돋보기같은 역할을 하게 된다

그래서 뒤에 있는 은하가 왜곡돼서 고리모양으로 보일 수도있다 

이것은 이론이 아니라 실제로 관측되는 현상들이며 '중력렌즈' 현상으로 불리고 있다

이건 은하와 관측자 사이를 지나가는 블랙홀의 모습 (시뮬레이션)

극단적으로, 지구가 블랙홀 주위를 공전하게 된다면 이렇게 보일것이다

참고로, 블랙홀을 특성에 의해 4가지로 구분할 수 있는데

여기서는 단순함을 위해 '회전하지 않고 전하가 없는 블랙홀' 로 가정하자 

블랙홀에 다가가면 왜곡은 점점 심해지고 검은 점이 시야를 덮기 시작할 것이다

그러다 시야의 반쯤이 어둠으로 채워졌을때가 온다 

그러면 Photon Sphere에 도달한것이다

이 위치에서는 광자가 꼭 빨려들어가지도 않고 꼭 탈출하지도 않는다

여기서는 광자가 블랙홀 주위를 공전할 수 있게된다 

이론적으로 이 위치에서는 뒷머리에서 반사된 빛이 블랙홀 주위를 빙 돌아 눈앞으로 들어올 수 있다

즉 자신의 뒷보습을 보는것이다..좀 섬뜩하다

그런데 블랙홀의 중력이 공간만 왜곡시키는것이 아니라 시간도 왜곡시킨다

만약 충분히 먼 거리에 있는 사람이 블랙홀로 뛰어드는 사람을 본다면 아주 이상한 일이 벌어진다 

상식적으로는 블랙홀로 떨어지는 사람은 가속이 붙어 점점 빠르게 멀어져야하는데

실제로는 빨라지기는 켜녕 '사건의 지평선'을 향해 점점 느려지며 멀어진다

중력의 영향으로 상대적으로 시간이 느리게가기 때문이다

나중에는 사건의 지평선 근처에서는 착 달라붙은듯 움직이지 않는다

그 뒤에는 몸에서 반사되는 빛의 파장이 점점 늘어나 붉어지다가

결국 적외선 영역으로 넘어가서 보이지 않게된다

여튼, 밖에서 보면 결코 사건의 지평선을 넘어가는 모습을 보지 못한다

하지만 이것은 밖에서 본 모습이지, 떨어지는 자신이 보면 계속 떨어진다

그리고 사건의 지평선을 넘어가면 빛조차 탈출하지 못하므로 돌아오는것은 불가능하다

블랙홀로 가는 표는 사실 편도승차권이다

특이점으로 다가갈수록 중력이 강해지므로 왜곡이 심해진다

결국 하늘 전체의 모습이 압축돼 작은 원으로 보이게된다

 만약 아주 대형 블랙홀로 떨어지고 있다면 사건의 지평선을 이미 넘어갔더라도 '당분간은' 안심해도 될 것이다

대형블랙홀의 경우에는 사건의 지평선에서 '조석력' 이 약해서 전혀 몸에 이상이 생기지 않는다

여기서 조석력이란 예를들어 다리가 먼저 중심을 향해 떨어지는 상황이라고 가정할 때

다리가 머리보다 상대적으로 강한 중력을 받기 때문에 생기는 몸 양끝간의 '중력의 차이'인데

대형블랙홀의 경우 사건의 지평선에서 받는 조석력은 매우 약해서 멀쩡하다

이것이 인터스텔라에서 쿠퍼가 당장은 죽지 않았던 이유라고 할 수 있겠다

그러나 대형블랙홀의 경우라도 특이점에 가까이 다가가면 결국 조석력이 커져 죽을수 밖에 없다

 시뮬레이션을 하면 대충 이렇다

너무 끔찍하게 늘어나서 과학자들은 이걸 '스파게티화' 된다고 한다

이쯤되면 살아있을리는 만무하고 특이점에 도달했을때는 어떻게 될지 상상하기도 어렵다

어쩌면 기존에 알던 물리법칙을 깨버리는 현상이 일어나거나, 우주 저편에서 나타날지도 모른다

물론 다 분해된상태로.. 

움직이고있거나 회전하는 블랙홀이라면 어떨까?

이 경우에는 흔히 말하는 '웜홀'이 생겨서 빛보다 빠르게 여행할 수도 있다

영화에서도 나왔듯이 종이같은 2차원 세계를 기준으로 설명하자면

종이의 한쪽 끝에서 다른 한쪽끝으로 가기위해

공간을 3차원적으로 구부려 두 위치를 이어붙이면 즉시 다른끝으로 이동할 수 있다

현실에서의 웜홀은 3차원공간을 4차원적인 방법으로 구부리는 것이라고 할 수 있겠다

하지만 지금까지 한 이야기들은 어디까지나 이론적인 이야기였다 

다행히도 현실에서 블랙홀을 연구할 수 있는 방법이 있다.

바로 '덤홀'이다

블랙홀이 빛조차 빠져나가지 못하게 하는것이라면

덤홀은 소리가 빠져나가지 못하는 블랙홀이다 

과학자들은 실험실에서, 소리의 속도로 흐르는 특수한 유체를 이용해 '덤홀'에 대한 연구를 하고있다

아직은 좀 더 연구가 필요한 문제이지만 앞으로 덤홀 내에서 소리가 어떻게 작용하는지 연구함으로써

블랙홀의 내부에 관한 많은 정보를 얻을 수 있을것으로 보고있다

자 그럼 좀 다른 이야기를 해보자

빛의 속도로 달려보자

태양을 향해 빛의 속도로 달려보자

그러면 곧장 태양이 내 앞으로 다가올까? 

사실은 이렇게 보인다

곧장 다가오지 않고 시야가 순간적으로 넓어진다

(상대성이론에 의한 공간적수축효과는 여기서 제외한거같음) 

왜일까?

(상자가 나고 점이 빛입자다)

빛의 속도로 이동하는 경우에는 비스듬하게 뒷쪽에서 나온 빛도 나에게 도달하기 때문이다

원래 저 빛은 내가 볼 수 없는 사각지대에서 나온 빛이다

즉 내가 볼 수 있는 영역이 넓어진다 

결론

블랙홀에 빨려 들어가면 죽는다

원본영상

http://www.youtube.com/watch?v=3pAnRKD4raY