블랙홀로 여행을 한다면 어떻게 될까?

블랙홀로 여행을 한다면 어떻게 될까?

 

상대성이론이란 무엇인가, 제프리 베네트 지음 참조

*아이슈타인을 좋아하지만, 비전공자 때문에 오류나 잘못된 내용이 많을수 있다.

 

 

 

 

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태양이 갑자기 블랙홀이 된다면 지구는 빨려들어 갈까?

 

태양이 블랙홀이 되면, 지구는 갑자기 춥고 어두워질 것이다.

하지만 블랙홀이 태양의 질량을 그대로 유지한다는 가정하에 지구는 여전히 원래 궤도를 돌고 있다.

실제 블랙홀은 예고없이 불쑥 나타날 수 없다.

 

블랙홀의 중력은 다른 물체의 중력 개념과 전혀 다르지 않다는 점이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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블랙홀 근처에 우주선으로 여행을 하다면 우주선은 어떻게 될까?

 

우주선은 다른 행성을 지나가듯 그냥 스치듯 자신의 궤도로 날아갈 것이다.

의도적으로 우주선을 블랙홀 쪽으로 향하지 않는다면, 블랙홀에 빨려들어가지 않는다.

 

또한, 우주선이 만약 블랙홀에 가까이 다가간다면 매우 기이한 왜곡이 생긴다.

시간과 공간이 왜곡된다는 점이다.

이것을 발견한 과학자는 ‘아이슈타인’이고 ‘특수 상대성이론‘을 통해 법칙을 찾아낸다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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시간, 공간 왜곡이 발생하는 조건은?

 

두가지 조건은 빛의 속도에 가까운 속도와 블랙홀 가까이 존재하는 극단적이고 엄청난 중력이 필요하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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블랙홀의 형태와 찾는법은?

 

블랙홀의 중력은 2가지 방식으로 드러난다.

그 방법은, (주변의 항성의 움직임 &  x-선 방출)을 통해서 알수 있다.

 

첫째. 그 주변을 도는 물체를 보고 확인한다.

예를들어 어떤 항성이 특정 지점을 기점으로 계속 돌고 있지만, 그 중심에는 아무것도 없다면 이것은 블랙홀일 가능성이 있다.

 

 

둘째. 블랙홀에 둘러싼 가스가 내뿜는 빛을 동해 알수 있다.

우주는 완전한 진공상태가 아니다. 아주 미묘한 여러 원자들이 떠돌고 다닌다.

블랙홀의 극단적 중력을 통해 주변에 여러 가스 구름이 생길수 있다.

그리고 가스들은 매우 빠른 속도로 움직인다.

블랙홀은 매우 작고 중력이 강력해 빠르게 주변 사물을 움직이게 만든다.

이물질 주변에는 x-선이 뿜어져 나오는 것을 알수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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블랙홀의 정체는 무엇인가?

 

 

대부분 블랙홀은 질량이 매우 높은 항성 (최소 태양 이상)이 죽고 남은 잔해이다.

항성이 에너지를 모두 소비하고 나면 붕괴되고 아주 작은 형태로 압축된다.

크기는 매우 작은데, 엄청난 질량과 중력을 갖게 된다.

 

블랙홀은 빛마져 흡수하기 때문에 아무도 볼수 없다.

그래서 대부분 발견된 블랙홀은 쌍성계 행성이다.

즉, 블랙홀 주변에 다른 항성이 있어야만, 우리가 알수 있다는 점이다.

아마도, 우주에는 월등히 많은 블랙홀이 있을 것이다.

하지만, 눈으로 볼수 없기 때문에 식별이 불가능 하다.

 

 

블랙홀은 일반적으로 죽은 항성의 잔해이지만, 이것보다 더 극적인 종류가 있는데, 이것을 ’초질량 블랙홀‘ 이라 한다.

이들은 기원은 아직 밝혀지지 않았지만 너무나도 거대하기 때문에 상대적으로 발견하기 쉽다.

 

예를들어 우리은하 Milk Way Galaxy 중심에 항성들이 엄청난 속도로 중심 물체를 돌고 있는게 관측되었다. 이 중심 물체는 태양의 질량보다 약 400만배 크고, 지름은 태양의 지름과 비슷하다. 오직 블랙홀만이 그렇게 작은 공간에 압도적인 질량을 가질수 있다.

 

 

우리가 만약 블랙홀을 탐헌한다면 비교적 지구와 가깝고 상대적으로 뜨겁지 않아야 한다.

이런 블랙홀은 통계적으로 볼 때 지구에서 약 25광년 이내 거리에 존재할 가능성이 상당하다.

결론은 우리가 블랙홀을 탐험 하려면 빛의 속도로 25년 가면 된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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빛의 속도로 우주를 여행 한다면...

 

 

인류가 여행이 가능한 가장 가까운 블랙홀은 약25광년 거리에 있고,우주 관점에선 굉장히 작은 거리일수 있지만. 인간의 관점에서 25광년은 꽤 먼거리다.

 

빛은 초당 약 30만 km를 움직인다.

이것은 1초에 지구를 거의 8바퀴 돌수 있다는 뜻이다.

1분은 60초, 1시간은 60분, 하루는 24시간, 1년은 365일 이다.

 

1광년은 10조 킬로미터가 된다. 25광년이란 250조 킬로 미터를 뜻한다.

현재 인류의 가장 빠른 우주선은 시간당 ’약 5만km, 초당 14km’로 날아간다.

총알보다 100배쯤 빠르지만, 빛의 속도에 2만분의 1 정도로 느리다.

우리가 1광년을 가려면 2만년이란 시간이 필요하다.

 

실제로 당연히 인류가 블랙홀 여행을 하는 것은 불가능한 이야기 이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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빛보다 빠른 속도로 여행한다면..

 

아이슈타인은 빛보다 빠른 것은 없다고 했다.

그렇기 때문에 빛의 속도는 천재물리학의 기본 기준이 된다.

모든 것에 대입이 가능한 완벽한 함수는 빛의 속도이다.

 

만약 인류가 엄청난 발전을 통해 빛의 99.9%에 해당하는 속도로 여행이 가능하다면..

만약 이속도로 블랙홀에 다녀 온다면 이론적으로 25광년 걸림으로 왕복 50년이 걸린다.

빛의 속도보다 느리기 때문에 실제 50.5년은 걸릴 것이다.

 

 

하지만 ‘일반 상대성 이론‘에 의거해 블랙홀에 도달하는데 실제로 ’3년 6개월’ 정도로 짧게 걸린다.

왕복하면 약 7년만에 지구에 귀환할 것이다.

하지만 지구에 있는 사람들은 50년이라는 시간이 걸린다.

빛의 속도로 우주를 여행한 사람은 시간이 더욱 느리게 간다.

중력과 속도에 대한 이론이 아이슈타인이 주장한 ‘상대성 이론’의 핵심이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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우주 여행과 지구의 여행은 서로 다르다.

지구에서 자동차와 비행기를 타고 여행하다 엔진을 끄면 땅과 공기의 마찰 때문에 결국 멈춘다. 하지만 우주는 마찰이 없다. 우주선의 속도와 진로에 영향을 미치는 유일한 요소는 ‘중력‘ 뿐이다.

 

중력의 근원이 행성, 항성,블랙홀, 그밖에 요소이든 상관 없다.

중력에 의해 특정한 움직임이 생기는데 그것을 궤도라 한다.

궤도는 일반적 성질이 있다. 300년전 아이작 뉴턴이 처음 밝혔다.

 

 

 

 

 

궤도는 기본적으로 3가지 모양을 가진다.

이 세가지 모양은 일반적으로 ’원뿔곡선‘ 이라 한다.

각각의 모양이 원뿔을 여러각도로 잘랐을 때 만들어지는 모양이라는 점에서 원뿔곡선이라 한다.

궤도의 기본 특징은 ’곡선, 타원‘ 형태를 가진다는 점이다.

궤도는 ’유한궤도‘와 ’무한궤도’로 나뉜다.

 

유한궤도는 타원형태를 말하며, 쉽게 말해 행성을 중심으로 둥글게 반복적으로 돌아오는 형태를 말한다. 달은 지구를 ‘유한궤도‘로 돈다고 볼수 있다.

 

 

무한궤도는 쌍곡선, 포물선 형태를 갖는다.

이런 곡선은 되돌아 오지 않고,오로지 곡선 형태로 날아간다.

 

(타원,포물선,쌍곡선) 3가지가 중력이 허용하는 모든 궤도를 나타낸다.

우리가 만약 우주여행을 하게 된다면 되돌아 오지 않아야 함으로 ’무한궤도’ 형태를 가진 포물선을 그리며 중력 주변을 날아간다.

 

 

만약 날아가던 비행기가 블랙홀 주변을 지난다면, 극단적으로 빨려드는게 아니고, 어느정도 중력의 영향을 받아 당겨지며 곡선 형태로 날아간다. 결국 블랙홀 내부로 빨려 들어가는게 아니고 스치며 날아간다는 점이다.

 

우주여행중 블랙홀이 나타나면 빨려 들어간다고 생각하지만, 블랙홀에 빨려들어가는 것은 굉장히 어렵다.

예를들어 태양의 질량보다 10배 더 큰 질량의 블랙홀 질량 겨우 60km 이다.

 

1초에 30만km로 날아오는 우주선이 지름이 60km의 물질에 정확히 타격할 확률이 상당히 적다.

만약 블랙홀에 직접 빨려들어가고 싶다면, 속도를 극단적으로 줄이고 블랙홀의 중력에 스스로 빨려 들어가는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

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블랙홀에 빨려 들어가는 사람을 관찰한다면..

 

 

만약 2사람의 우주인이 있고, 한명이 블랙홀로 빨려들어가는 것을 목격한다면 몇가지 현상이 발생한다. 예를들어 푸른빛을 내는 시계가 우주선에 있고, 그것을 눈으로 관찰이 가능하다고 해보자.

 

 

블랙홀이 빨려들어가는 사람을 밖에서 바라본다면..

시계의 푸른색은 점점 붉은 색으로 바뀐다.

속도는 더 느리게 변한다.

 

아이슈 타인은 강한 중력에서 시간이 늦게 흐른다고 했다.

단순히 느리게 흐르는게 아니라, 물질의 운동도 극단적으로 느려진다.

 

빛은 파장이며 진동이다.

푸른 빛보다 붉은 빛의 파장과 진동이 느리다.

원래 푸른빛이던 시계는 점점 진동이 느려서 붉은 색으로 변하고, 블랙홀 중심에 다가서면 모든 파동이 움직임을 멈춰 아무빛도 볼수 없다.

 

블랙홀이 모든 것을 흡수한다기 보단, 극단적으로 느리게 만들어 결국 아무것도 움직이지 않는 정지상태처럼 바뀐 것이다.

 

중력이 큰 곳의 물체가 더 붉은 빛을 내는 효과는 ‘중력에 의한 빛의 적색이동’ 이라 한다.

흥미로운 사실은 블랙홀로 빨려들어가는 개념이아니라, 중력에 의해 끌어 당겨진다는 것이다.

이것은 지구에서 돌을 하늘로 던지면, 결국 중력 때문에 땅바닥으로 떨어지는데, 이것과 동일한 개념이다.

 

만약 블랙홀에 있는 사람이 밖의 사람을 관촬하면 이것과 전혀 반대로 보일 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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블랙홀에 들어간다면

 

만약 운이 좋게 블랙홀 내부에 들어간다면, 블랙홀 중심에 다다르면 빛의 파동도 없기 때문에 갑자기 시야에서 없어져 버리며, 그순간 멈춘 것으로 보인다.

결국, 블랙홀에 진입한것도 아닌것도 아닌 상태가 된다.

 

실제 블랙홀에 내부에 가깝게 들어갈수록 중력이 강해서 물질이 강하게 잡아당기는 힘이 발생해 찢겨져 나갈 것이다.

 

초질량 블랙홀의 경우 크기가 엄청나게 크기 때문에 상대적으로 중력의 힘이 더 약하게 만든다. 몸이 찢겨 나가는게 더 약할지 모른다.

 

블랙홀의 외부로 빠져 나가려면 빛의 속도보다 빨라야 탈출이 가능하다.

실제 아이슈타인은 빛보다 빠른 것은 없다고 했다.

현재 과학 이론에 의하면 블랙홀에 빨려들어가면 탈출 할 수가 없다.

 

만약, 빛보다 빠른 물질이나 현상을 발견한다면 먼미래에는 블랙홀로 여행이 가능할지 모른다. 블랙홀은 아무것도 없는 어둠이기 때문에 들어간다고해서 무엇이 좋을지 모르겠지만..

 

 

 

 

 

 

 

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아이슈타인의 상대성 이론 2가지

특수 상대성 이론 ( 중력 개념 제외 )

일반 상대성 이론

 

아이슈타인은 특수 상대성 이론, 즉 속도에 따라 시간이 다르게 흐른다는 이론을 먼저 발표하고, 그뒤에 중력을 포함한 우주의 신비를 풀어줄 일반상대성 이론을 발표한다.

 

특수 상대성 이론이 인류에게 더 흥미롭고, 쉽게 이해되기 때문에 그런 선택을 했다고 한다.

많은 사람이 상대성 이론의 개념을 이해시키고, 나중에 일반상대성 이론을 통해 우주의 신비를 거부감 없이 받아들이게 했다고 한다.

 

시간이 상대적으로 흐른다는 점을 통해 영화의 ‘타임머신‘ 개념이 생겼고, 빛의 속도를 능가하는 무언가가 발견되었다는 전재로 ’블랙홀 타임 워프‘ 개념이 생겼다는 점에서 영화업계도 아이슈타인의 덕을 굉장히 많이 본게 아닌가 싶다.