5차원 시공간과 우주의 구조 (2)-6 양자중력공간 이론 논문

5. 블랙홀의 천문학적 관점

현대의 천문학자들은 허블우주망원경과 찬드라 X-선망원경, 그리고 초대형 라디오망원경을 이용하여 무려 수백 개에 이르는 블랙홀을 발견하였다. 이제 대다수의 천문학자들은 거의 모든 은하의 중심부에 블랙홀이 존재하는 것으로 믿고 있다[6].

활동성 은하의 중심부는 매우 밝을 뿐 아니라 밝기의 변화성(variability)이 크며 남북 양 방향으로 위력 있는 제트를 내뿜는다. 이를 위해 그 중심에 강력한 엔진을 가지고 있는 것으로 여기며 블랙홀이 그 역할을 담당하고 있는 것으로 믿고 있다(그림 9)[7]. 따라서 블랙홀은 더 이상 검지 않으며 오히려 밝다.

제트(Jet)는 core, jet, lobe, hotspot, bridge, tail 등으로 이루어지며[8] core에는 블랙홀 엔진이 존재하는 것으로 추정된다(그림10, 그림11).

활동성 은하의 핵으로부터 방출되는 제트의 규모는 매우 거대하여 가시적인 은하의 밖으로까지 뻗어져 나와 있다(그림 12).

                                                        [9]

 활동성 은하의 핵으로부터 나오는 제트는 보통 은하의 밖까지 강력하게 뻗어 나가며 제트의 속도는 광속을 초월하는 경우가 흔히 발견된다.

그림 13과 같이 제트의 움직임은 관찰자의 방향의 성분과 그에 수직된 방향의 성분으로 나눌 수 있다. 관찰자의 방향의 성분에 있어서는 움직임의 속도가 광속 가까이 이를 때 빛의 도플러 효과에 의해 생기는 광속을 뛰어넘는 듯한 일종의 착시 현상이 발생할 수 있다[10]. 관찰자의 방향의 빛의 도플러 효과에 의한 진동수









이다[11]. 제트가 관찰자 방향으로 움직이면서 빛을 내보낼 경우, 제트의 속도가 가 광속 에 가까이 갈수록 제트의 이동 거리에 대한 관찰자에게 도달하는 빛의 파와 파 사이의 시간 간격은 짧아짐으로 ‘속도=거리/시간’의 공식에 의해 관찰되는 속도는 증가하여 광속을 초월하는 듯한 착시 현상을 유발하게 된다. 반면 수직된 방향의 성분에서는 이러한 빛의 도플러 효과는 적용되지 않음으로 착시 현상은 생기지 않는다. 이때 활동성 은하의 거리는 매우 멀므로 그곳에서 오는 빛은 평행하게 온다고 가정한다.

만약 퀘이사가 지구로부터 100광년 떨어져 있다고 하자(그림 14)[12]. 이는 퀘이사에서 일어나는 어떤 사건을 지구에 있는 관찰자는 100년 후에 관찰할 수 있다는 뜻이다. 퀘이사로부터 제트가 방출된 시간을 T라 하자. 제트는 0.99 의 속도로 지구의 관찰자 방향으로 방출되었다 하자. T+50년 후 제트가 처음 방출될 때 제트로부터 나온 빛은 관찰자를 향해 절반의 위치인 50광년을 달려온다. 반면 제트는 49.5광년을 달려온다. T+100년 후 제트가 처음 방출될 때 나온 빛은 관찰자에게 도달한다. 그 순간 제트가 퀘이사로부터 방출되는 모습을 보게 된다. 이 순간 제트는 아직까지 관찰자로부터 1광년의 거리가 떨어져 있다. 제트가 절반 위치에 왔을 때의 제트로부터 나온 빛은 관찰자로부터 단지 0.5광년의 거리가 떨어져 있다. 그래서 6개월 후 즉 T+100.5년 후 제트가 절반 위치에 왔을 때의 제트로부터 나온 빛은 관찰자에 도달한다. 따라서 관찰자의 눈에는 단지 6개월 만에 제트는 50광년을 이동한 것으로 측정된다. 즉 제트는 광속보다 100배 빠른 속도로 이동한 것으로 관찰된다. 그러나 제트의 실제 속도는 0.99 이다. 따라서 이는 빛의 도플러 효과에 의한 착시 현상으로 나타난 것이다.

그러나 그림 14를 통해서 볼 때 수직방향의 성분의 경우는 빛의 도플러 효과가 나타나지 않는다. 아울러 실제 제트의 움직임은 수직 방향 성분과 관찰자 방향 성분의 벡터의 합임을 알 수 있다. 따라서 실제 제트의 움직임은 벡터의 성질로 말미암아 수직 방향 성분과 관찰자 방향 성분이 뚜렷이 구별되어진다.

그런데 천체 망원경을 통해 측정되어지는 거리 성분은 순수하게 수직 방향 성분에 해당함으로 빛의 도플러 효과에 의한 착시 현상에 전혀 영향을 받지 않게 된다. 따라서 시간과 거리의 분석의 결과에 따른 제트의 광속 초월 현상은 실제 상황으로 추정된다.

                                       그림 15. 3C279의 Jet (4c)


그림15는 퀘이사 3C279의 제트를 3년 동안 관찰한 결과다. 가장 왼쪽 부분은 퀘이사의 핵에 해당하며 가장 오른쪽의 knot은 덩어리 형태로 이동하고 있다. 이 덩어리의 이동 속도는 광속을 초월한 4 로 측정되었다[13].

                                      그림 16. Blazar 0827+243의 jet(25c)


그림16은 Blazar 0827+243의 jet의 시간별 모습을 나타낸다. Jet의 속도는 25 로 측정되었다[14].

                                그림 17. Quasar 3C345의 jet (7c)


그림 17은 퀘이사 3C345의 제트의 모습을 시간별로 나타낸 것이다. 제트의 이동속도는 7 로 측정되었다[15].

                                      그림 18. M87의 jet (6c)


그림 18은 활동성 은하 M87의 제트의 이동 모습이다. 속도는 6 로 측정되었다[16].

위의 천문학적 관찰 결과와 같이 활동성 은하의 핵으로부터 방출되는 제트의 속도가 광속을 초월하는 것으로 관찰되므로 은하핵에 놓여있는 엔진이 블랙홀이라 할 경우 블랙홀 내부에도 초광속이 허용될 가능성이 매우 높다. 모든 관성계 내의 속도는 광속을 초월하지 못한다. 따라서 초광속이 허용되는 경우는 초광속으로 움직이는 물체 주변에 시공간 팽창도가 상대적으로 큰 공간이 형성되어 함께 이동하기 때문으로 추정된다. 만약 블랙홀 내부 물체에 이와 같은 원리로 초광속 이동이 허용될 경우 내부 물체는 사상의 지평면을 뚫고 쉽게 나올 수 있게 된다. 그럴 경우 빛조차 삼킨다는 사상의 지평면은 그 의미를 상실하게 되고 초광속 이동이 허용된 빛으로 말미암아 밝게 빛나는 백열전구처럼 빛을 발하게 된다. 그러나 광속을 초월하지 못하는 빛은 여전히 사상의 지평면을 통과하여 밖으로 탈출할 수 없다. 블랙홀의 사상의 지평면 내부에는 특이점이라는 구조물이 있다. 이러한 특이점은 이동하는 물체 주변에 시공간 팽창도가 상대적으로 큰 공간이 함께 형성되어 이동하므로 나타나는 초광속 이동 현상과 밀접한 관련성을 가지고 있을 것으로 추정된다. 그리고 이러한 이동하는 물체 주변에 시공간 팽창도가 큰 공간이 함께 형성되는 경우로는 이동하는 물체가 시공간 팽창도가 큰 공간의 물질로 이루어져 있을 경우를 대표적으로 들 수 있다.
                                                   [17]

그림19는 백열전구처럼 매우 밝게 빛나는 활동성 은하핵을 보여주고 있다. 핵의 밝기는 은하 전체의 별의 밝기를 합쳐놓은 것보다도 현저히 더 밝다. 이는 블랙홀이 밝게 빛남을 반증한다.

활동성 은하핵의 밝기의 변화성(variability) 또한 매우 크다. 그림20은 blazar Markarian 421의 에너지 변화성(varibility)의 한 예를 나타낸 것이다. 1996년 5월 7일의 기록을 보면 variability의 doubling time이 1시간 정도 걸렸으며 1996년 5월 15일 기록을 보면 30분 정도밖에 걸리지 않았다[18]. 이는 은하핵의 활동이 매우 활발함을 반영한다.

 

블랙홀의 사상의 지평면으로 떨어지는 물질은 바로 떨어지지 않고 블랙홀 주변에서 강착원반을 형성하여 회전하면서 떨어진다. 강착원반 내에서도 먼저 유입된 물질은 나중에 유입된 것보다 더 빨리 회전하므로 원반 물질 속도가 다른 안쪽과 바깥쪽 물질과의 마찰로 온도가 수백만 도까지 상승시킨다. 이 과정에서 에너지가 높은 X선이 방출된다[19]. 이러한 X선은 광속을 초월할 수 없으므로 사상의 지평면 안쪽으로 유입된 물질의 마찰로 부터는 빠져 나올 수 없게 된다. 따라서 X선은 주로 블랙홀의 사상의 지평면 바깥쪽에서 생성된 것으로 추정된다.

일반상대성이론에 의해 중력원에 가까이 갈수록 시간의 흐름이 느려진다. 이는 모든 관성계 내의 광속은 일정하므로 곧 중력원에 가까이 갈수록 시공간 팽창도가 증가함을 반영한다. 중심 내부에서 나오는 빛일수록 중력에 의한 적색편이가 강하게 나타난다. 따라서 초광속 빛은 사상의 지평면을 벗어날 수 있으므로 사상의 지평면을 무시하고 볼 때 블랙홀의 특이점에 보다 가까운 곳에서 방출되는 빛일수록 중력 적색편이에 의해 빛의 파장은 늘어나 적색 영역을 넘어서 라디오파 영역까지 확장될 수 있다.

따라서 초대형 라디오망원경 VLBI (Very Large Baseline Interferometry)로 촬영되는 라디오파 영상은 블랙홀의 특이점에 보다 가까운 부위의 영상을 나타내리라 짐작한다.

그런데 활동성 은하핵으로부터 나오는 제트는 주로 라디오파 영상에 의해 보다 세밀하게 표현된다.

그림21은 퀘이사 3C273의 제트의 모습을 라디오파(R), 가시광선(O), X선(X) 파장별로 각각 촬영한 모습을 비교하여 보여주고 있다[20]. 제트를 방출하고 있는 핵을 보면 라디오파로 촬영된 것이 가장 작고 치밀하다. 따라서 라디오파로 촬영된 제트의 핵이 특이점 가장 가까이의 모습을 나타내는 것으로 짐작된다.

또한 제트의 구체적인 모습이 주로 사상의 지평면 밖에서 형성되는 것으로 짐작되는 X선이 아닌 대부분 파장이 매우 긴 라디오파의 이미지로 나타나므로 제트를 형성하는 주요 성분은 사상의 지평면 밖이 아닌 특이점과 관련되어 사상의 지평면 안쪽에서 생성되어 나오는 것으로 추정된다.

 

활동성 은하핵에서 방출되는 제트의 hotspot은 블랜포드 즈나이엑 과정(Blandford-Znajek mechanism)[21]에서 설명되어지는 플라즈마의 부드러운 흐름의 모습이 아니라 설명하기 어려운 단단한 덩어리(physical mass) 핵의 모습을 보인다(그림 22, 그림 23, 그림 24).

                                                   [22]

                                                     [23]
                                                    [24]

그림 25는 위의 사진과 비교하기 위하여 제시한 헬리 혜성의 모습이다.

 

그림 23과 비교해볼 때 서로 구별이 어려울 정도로 형태가 유사하다. 따라서 그림 22, 23, 24의 제트의 hotspot의 윤곽으로 미루어 볼 때 그 내부에 단단한 덩어리의 핵을 가진 것으로 추정된다.

제트가 단단한 덩어리의 핵을 가지고 있음을 통해 제트가 사상의 지평면 바깥에서 자기력선을 따라 움직이는 하전 입자의 플라즈마에 의해 생기는 것이 아님을 알 수 있으며 오히려 특이점으로부터 나온 것으로 짐작할 수 있다. 이는 특이점이 다른 우주와 연결되는 웜홀의 역할을 할 것으로 추정되기 때문이다.

 

활동성 은하핵에서 방출되는 제트의 또 다른 특징 중 하나는 그림 26과 같이 나선형 모양으로 회전하는 모습을 보이는 것이다[25]. 이것에 관해서는 뒤에서 다시 다룰 예정이다.

 


덧글

  • 귀요미파워 2018/10/11 23:32 # 삭제 답글

    잘보았습니다. 제트중심에서 나오는 자속선은 반대편 극성으로 돌아갈수있나요? 아니면 못돌아가나요?;
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양자중력공간 이론과 빛

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