블랙홀은 거대한 중력으로 인해, 이론적인 등장 때부터 천체 물리학계에서 관심의 대상이 되어 왔다. 일정량 이상의 물질 또는 에너지가 충분히 작은 공간에 위치한다면 바로 블랙홀이 나타난다. 충분히 작은 공간에 충분히 큰 질량의 물질이 있는 경우, 중력은 인접한 공간 영역에서 더 우주 바깥으로 빛조차 빠져 나갈 수 없을 만큼 충분히 커진다. 이 영역의 경계를 사건의 지평선 이라고 한다. 외부 관찰자는 사건의 지평선 내의 사건을 관찰하거나 인식하거나 영향을 받을 수 없기 때문이다. 말하자면, 사건의 지평선이 곧 블랙홀의 경계이다.
블랙홀의 무한한 질량 속에서 어떤 일이 일어나는지는 아직 밝혀지지 않았다. 중심 크기가 0으로 밀도가 무한한 중력 점이 형성되거나, 불확정성 원리에 기초한 양자 효과 때문에 이런 추측 자체가 무의미 할 수도 있다. 그러나 어떠한 경우라도 사건의 지평선은 그 지점에서 특정 거리에 있기 때문에, 사건의 지평선의 중력이 더 약할 수밖에 없다.(물론, 상대적으로 약하다는 뜻이다.) 즉, 내부 상황에 관계없이 물리학에 대한 우리의 지식을 바탕으로, 사건의 지평선 영역에서 일어나는 것을 어느 정도 예측할 수는 있다. 1974 년 영국의 물리학 자 스티븐 호킹(stephen hawing)은 한 양자 이론을 소개하며, 이론적 곡선 시공간에서 사건의 지평선의 중력이 사건의 지평선에서 아주 조금 떨어진 거리에서의 중력보다 에너지를 훨씬 더"방출"시킬 수 있을 만큼 강하다는 것을 증명했다. 광대한 우주에서, 이 사실은 블랙홀 자체가 천천히 증발한다는 것과 같은 이야기이다. (실제로 이는 블랙홀의 외부에서 발생하지만 말이다.)
호킹의 통찰력은 양자 물리적 현상, 즉 가상 입자와 사건의 지평선 근처에서 움직임을 기반으로 한다. 빈 공간에서도 양자 "가상"입자와 반입자는 짧은 시간 존재하고 서로 소멸되어 사라진다. 이 현상을 바로 ‘쌍소멸’이라 한다. 블랙홀 근처에서의 광자 쌍의 입자로 나타난다. 광자 중 1개는 사건의 지평선에서 벗어나, 우주로 탈출 할 수 있다. 분석에 따르면, 양자 효과는 음의 에너지를 가진 "균일 파동"을 생성하고 동시에 블랙홀에 들어가 블랙홀의 총 질량 또는 에너지를 감소시킨다. 우주의 에너지가 증가하는 것이다. 따라서 블랙홀은 점차 에너지를 잃고 시간이 지날수록 증발해야하지만, 블랙홀의 열역학적 특성과 이 과정에 영향을 받는 법칙을 고려하면 호킹은 이 현상이 매우 낮은 수준의 정확한 흑체 복사 즉, 전자기적인 방사라고 설명했다. 방사 온도에서 흑체에 의해 방출되는 것과 같은 것이다.
입자 - 반입자 복제가 사건의 지평선 외부에서 방출되는 것을 상상하면이 과정에 대한 물리적 관찰력을 얻을 수 있다. 이러한 복사는 블랙홀 자체에서 직접 오는 것이 아니라 실제 입자가되도록 블랙홀의 중력이 "강화"된 결과이다. 입자 - 반입자 쌍은 블랙홀의 중력에 의해 생성되기 때문에 입자 중 하나를 분리하면 블랙홀의 질량이 감소한다.
이 과정의 또 다른 관점은 진공 변동에 의해 입자 대 입자 쌍이 블랙홀의 사건의 지평선 근처에 나타나는 것이다. 두 입자 중 하나는 블랙홀에 빠지고 또 다른 하나는 바깥으로 탈출했다. 전체 에너지를 유지하기 위해 블랙홀로 떨어지는 입자는 음의 에너지를 가져야한다 (블랙홀에서 멀리 떨어진 관찰자가 봤을 때.). 따라서 블랙홀의 에너지가 저하되고, 외부 관찰자의 눈에는 블랙홀이 방금 입자를 방출 한 것으로 보인다.
블랙홀에 대해서는 초등학생때부터 관심이 많았다. 그 존재 자체가 너무나도 신비하면서도 두려웠고, 그 압도적인 신비함에 매료되었었던 것 같다. 덕분에 물리학에 관심을 가지고, 이런저런 다큐멘터리와 책도 많이 챙겨봤기 때문에 물리학적인 통찰력은 나름대로 만족할만큼 지니고 있다고 생각한다.
그럼에도 불구하고 이런 전문적인 이론과 관련된 지식을 정리할때면, 알면 알수록 무지해지는 기분이다.
일때문에 지치고 힘들지만, 그래도 블랙홀 덕분에 오랜만에 옛 추억에 잠겨볼 수 있었다. 다음번에 서점에 갔을때는 천체물리학 책 하나정도는 집어와 볼까~ 생각해본다.
