상대성 이론 및 상대론적 우주론

목차

상대성 이론 및 상대론적 우주론
1. 특수 상대성 이론

2. 일반 상대성 이론


#블랙홀


#상대론적 우주
*팽창하는 우주의 방정식

*우주의 평균밀도 ρ0

*블랙홀

본문내용

은 허블 우주 망원경이 관측했던 30여개 이상의 은하들에 대한 최근 결과를 통해 확인되고 있습니다.
좀더 정확한 사실은 더 연구해보아야겠지만 거대한 블랙홀은 은하의 탄생보다 앞서서 태어나지 않았고 은하의 진화에 따라 함께 성장한 것으로 볼 수 있습니다.
최근 허블 우주 망원경의 자료를 이용하여 천문학자들은 은하 중심에 있는 블랙홀의 질량을 블랙홀 주위를 소용돌이치며 돌고 있는 별들의 운동을 측정함으로써 결정할 수 있었지요. 보통 별들이 블랙홀에 가까이 접근할수록 그들의 속도가 더욱더 빨라집니다.
결과적으로 블랙홀의 질량과 은하 중심부 별들의 평균 속도의 상관관계를 밝혀냈습니다.
별들이 빠르게 움직일수록 블랙홀의 질량이 더 크다는 결론에 도달했습니다.
이것은 블랙홀과 은하가 함께 성장했다는 것을 의미합니다.
- 논란의 대상 블랙홀
우리 해와 표면을 스쳐 우리에게 보이는 별빛은 정말로 2"정도 (1º=60'=3,600")휜다고 하네요. 따라서 반지름이 약 3킬로미터가 되도록 축소된 해는 블랙홀이 되어 지나가는 빛을 빨아들일 것이라는 추측은 의심의 여지가 없지요.
하지만 이러한 모든 사실이 밝혀진 1920년대에도 블랙홀에 대한 학자들의 태도는 전혀 변하지 않았습니다. 이론이 맞는다 하더라도 블랙홀은 극단적이고 상상 속의 존재일 뿐 실제로 자연에 존재하는 것은 아니며, 자연에 존재하지 않으면 과학의 대상이 될 수 없다는 논리가 팽배했던 거죠.
이것은 물론 첫번째 문제, 즉 블랙홀을 만드는 방법의 문제가 아직 해결되어 있지 않았기 때문입니다.
이리하여 이름조차 없이 '얼어붙은 별(Frozen star)', '붕괴된 물체(collapsed object)' 등으로 마치 요구르트처럼 불리던 블랙홀은 1920년대 이후 잊혀진 존재가 되어버리고 말았습니다.
실제로 미국의 휠러(Wheller)에 의해 블랙홀이라는 이름이 지어진 것도 다시 연구가 활발히 진행되기 시작한 1960년대의 일입니다.
실제로 미국의 휠러(Wheller)에 의해 블랙홀이라는 이름이 지어진 것도 다시 연구가 활발히 진행되기
- 블랙홀과 중력렌즈
블랙홀은 큰 별들의 일생에서 마지막 단계에 해당하는 천체입니다. 중력에 의해 응축을 계속한 별에서 별의 질량이 크면 만유인력에 의해 밀려드는 질량의 압력을 전자들이 견뎌내지 못해서 결국은 모든 양성자와 전자가 사라지고 중성자들이 만들어지는 대변혁을 겪게 됩니다. 이때는 엄청난 에너지를 방출하게 되는데 이것이 초신성입니다. 초신성의 폭발이 의해 많은 질량이 공중으로 흩어진 후에는 중심부에 중성자로 이루어진 중성자별이 남게 됩니다.
그러나 이 중성자별도 무한정의 압력에 저항할 수 있는 것은 아니지요. 공간으로 흩어지고 남은 질량이 태양질량의 2.5배가되는 정도까지는 중성자 기체의 저항으로 더 이상의 응축을 막아내어 안정된 상태의 중성자별로 남아 있을 수 있습니다.
그러나 중성자별의 질량이 태양질량의 2.5배를 넘으면 포화 중성자 기체로서도 어쩔 수 없는 상태에 이르게 됩니다.
이렇게 되면 인력의 의해 안으로 안으로 밀려드는 질량의 막아낼 방법이 없게 되지요.
질량의 응축에 따라 밀도는 증가하고 크기는 작아져서 질량이 받는 중력은 점점 증가합니다. 따라서 질량은 점점 더 작은 점을 향해 밀려들어오게 되는데 이에 따라 중력이 커져서 마침내는 전자기파(빛)마저도 탈출할 수 없는 커다란 중력을 갖는 천체가 됩니다. 이렇게 되면 이제 이 별에서는 어떤 시호도 나올 수가 없습니다. 모든 것이 이 별을 향해 빨려 들어가기만 할뿐이지요.
이런 상태에 다다른 천체를 블랙홀(black hole)이라고 합니다.
블랙홀은 우리 시야에서 사라진 다음에도 응축을 계속할 것입니다. 우리는 블랙홀이 우리 시야에서 사라지기 바로 전에 보았던 별의 표면을 기억하고, 이 전체가 우리 시야에서 사라진 표면에 불과합니다. 천문학자들은 이런 표면을 사상의 지평선(event horizon)이라고 부르지요. 사상(사건)의 지평선은 단지 우리 기억 속에 존재하는 표면일 뿐 사실 아무 것도 없습니다.
이 사상의 지평선 너머에서 어떤 일이 일어날지 우리는 알 수가 없는 거죠.
일단 사상의 지평선 너머로 사라진 천체에서는 아무런 정보를 얻어낼 수가 없기 때문입니다. 계산에 의하면 태양질량의 10배의 질량을 가지고 있는 블랙홀의 경우 사상의 지평선 지름은 60Km정도라고 합니다.
사상의 지평선 지름은 질량의 비례합니다. 따라서 태양질량 5배의 질량을 가진 블랙홀의 지평선 지름은 30Km가 될 것입니다.
블랙홀이 사상의 지평선 너머로 사라진 질량의 어느 정도까지 수축해 갈지 또 수축해 감에 따라 어떤 일이 일어날 지에 대하여 우리는 알 수가 없습니다. 단지 우리의 물리 법칙이 사상의 지평선 너머에서도 적용된다면, 이 질량은 한없이 수축해서 결국은 한 점에 모이게 되면 어떤 일이 일어나게 될까 하는 것은 꽤 호기심을 자극하는 문제가 아닐 수가 없네요.
이런 점을 수학에서나 물리학에서는 특이점(singularity)라고 부릅니다. 블랙홀을 향해서 떨어진 물질은 그 물질이 가지고 있던 여러 가지 특성을 더 이상 가지지 못합니다. 따라서 블랙홀로 빨려 들어가면서 모든 정보는 사라지고 마는 것이지요.
남은 것은 심하게 휘어진 공간과 질량뿐입니다. 하늘에서 블랙홀을 찾아내기 위해서는 바로 이것을 이용하여야 합니다.
심하게 휘어진 공간과 엄청난 질량의 작용만이 블랙홀이 우리에게 줄 수 있는 단서이기 때문이지요.
블랙홀의 엄청난 질량에 의해 공이 많이 굽어져 있으면, 이 블랙홀 근처를 지나온 빛은 많이 굽어서 올 것입니다.
따라서 블랙홀 바로 뒤에 있는 은하를 지구에서 관측하면 이 은하의 모습이 블랙홀로 인해 굽어진 공간의 작용으로 둥그런 원으로 보일 수가 있게 됩니다. 이런 것을 중력 렌즈(gravitation lens)작용이라고 합니다. 많은 천문학자들이 이러한 중력 렌즈를 발견하려고 노력하고 있습니다.
중력렌즈의 발견은 블랙홀의 존재를 증명하는 것이기 때문이죠. 그러나 이런 발견은 아주 운이 좋아야 합니다.
은하, 블랙홀, 관측자가 모두 일직선상에 놓여야 하는데 이런 행운은 그리 쉽게 오지 않겠지요?

키워드

블랙홀,   시간 여행,   일반 상대성 이론,   우주원리