일반지구과학 및 실습

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일반지구과학 및 실습 II

7 주 차 별 의 무 덤

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3. 블랙홀

챤드라세카 한계를 넘는 별의 무덤은

무엇일까?

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블 랙 홀

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• 별의 폭축하는 핵이 중성자별이 지닐 수 있는 최대질량보다 크면 중력의 끈질긴 인력을 저항해볼 수 있는 것이 아무것도 없다

•

블랙홀

^{이 남겨진다}

• X-선쌍성

• 동반별의 시선속도를 측정 동반별이 궤도운동하고 있는 보이지 않는 별의 질량 추정

• X-선쌍성 A0620-00의 동반별 시선속도 (→)

• 물질을 모으고 있는 천체의 최소질량: 3.3 M_⊙

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관 측 할 수 없 는 천 체 의 질 량

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• 보이지 않는 천체들 중 일부는

아주 무거워서 중성자별이 될 수 없다

• 블랙홀

^{인 것이 확실하다}

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• 우리은하를 포함한 많은 은하들의 중심핵에 초거대질량 블랙홀이 존재한다는 증거들이 발견되었다

• 태양질량의 백만배가 넘는다

• 천문학적으로 블랙홀에 대해 우리가 알고 있는 것은 이점에 제한되어 있다

• 질량이 너무 커서 블랙홀일 수 밖에 없다고 판단되는 천체들의 위치를 밝혀냈다

• 이런 천체들에 대해 더 이상은 알려진 것이 없다

• 이론천문학자들은 블랙홀에 대해 무엇을 말하고 있는가?

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상 대 성

7

• 빛이 파동이라면 무엇이 빛을 파동치게 하고 있는가?

• 과학자들은 전체 우주에 퍼져있는 물질이 있어서 빛이 그 물질을 통과하면서 파동이 만들어진다고 가정했다

• 에테르

• 마이켈슬과 몰리는 에테르와 상대적으로 빛의 속력을 측증하는 실험을 했다

• 그들은 아무것도 발견하지 못했다

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아 인 쉬 타 인 의 대 답

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• 아인쉬타인의 획기적인 논문 (1905)

• 특수상대성이론을 설명

• 가속하고 있는 않는 기준계에서 모든 물리법칙들이 모든

관측자들에게 똑같다는 가정을 하고 아인쉬타인 빛의 속력은 얼마나 빨리 움직이고 있는 가와 상관없이 일정한 값 c를

지닌다는 것을 보여줌

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특 수 상 대 성 이 론

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• 특수상대성이론의 결과중 하나는

시간이 얼마나 빠르게 흘러가느냐는 관측자의 속력에 따라 달라진다는

것을 아인쉬타인이 증명함

• 빠르게 움직이는 관측자는 정지된 관측자보다 작은 소요시간을

측정하게 될 것이다

• 우리의 일상경험에는 상반됨

• 하지만 아주 확실한 다수의 실험에서 성립한다는 것이 밝혀짐

• GPS수신기는 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 상대론 효과를 감안 할 필요가 있다

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일 반 상 대 성 이 론

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• 1916년에 특수상대성이론을 확장하여

공간의 형태와 시간의 흐름에 중력효과를 포함시켰다

• 질량이 공간을 휘어지게 한다

• 중력은 더 이상 먼곳에서 작용하는 힘으로만 여겨지지 않는다

• 질량을 지닌 물질 주변의 공간이

휘어지기 때문에 물질은 다른 질량에 의해 굴절된다

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빛 의 휘 어 짐

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• 일반상대성이론은 빛 자체도 질량이 큰 천체에 의해 휘어질 것이라는 예측을 해준다

• 별빛이 태양근처를 지나갈때의 별의 관측위치는 태양과 먼곳을 통과할때와 다르게 관측된다

• 물론, 태양근처에 있는 별들을 관측하는 것은 아주 어렵다

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에 딩 턴 의 일 반 상 대 성 이 론 증 명

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• 에딩턴은 1919년 일식이 일어나는 동안 하이아데스 성단의 별들위치를 측정하였다

• 여러 별들에서 온 빛들이 별들이 태양을 스쳐지나가면서 휘어졌다

• 아인쉬타인이 예측한 값과 일치하는 만큼 휘어졌다

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• 물질에 의해 빛이 휘어지는 현상은 중력렌즈의 발견으로 아주 인상적으로 입증된지 오래다

• 질량이 큰 은하단은 뒤에 있는 천체로부터 오는 빛을 이상한 형태로 휘게 한다

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•

은하단 CL0024+1654

• 배경에 있는 파랑색 은하들의 빛을 휘어지게 함

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공 간 의 휘 어 짐

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• 어떤 방향으로 공간은 휘어지는가?

• 우리가 알고 있는 3차원은 모두 곡률을 고려하고 있다

• 공간은 아주 다른 차원으로 휘어진다

• 질량에 의한 공간의 휘어짐을 표현하기 위한 한가지 방법은 우리 우주의 3차원을 3차원공간에 놓인 2차원 천에 표현해 보는 것이다

• 질량은 공간으로 표현되는 천을 3차원으로 휘어지게 한다

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• 앞의 그림에서 우리는 천에서 일어나는 현상들에 대해서만 파악할 수 있다

• 초공간에 있는 관측자만이 실제 공간의 곡률을 관측할 수 있다

• 우리 스스로는 2차원의 천조각에 놓여있기때문에 이 초과차원을 관측할 수 있는 방법은 없다

• 우리의 2차원 우주에 이런 초공간효과를 측정할 수 밖에 없다

• 2차원에 있는 천문학자가 공간의 휘어짐을 어떻게 인식해낼까?

• 원래 평행으로 직선으로 진행하는 선들이 나중에 분산되는 선을 관측해낼 수 있다

• 3차원 공간에 있는 별들의 위치가 변하는 현상이 이런 공간의 휘어짐이다

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17

• 원의 둘레가 2πr보다 작은 원들이 발견되어 질 수 있다

• 체적이 4/3 πr³ 보다 작은 구를 발견하는 것과 같다

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• 중력은 또한 중력적 적색편이를 야기한다

• 중력장을 떠난 광자는 에너지를 잃어버리면서 파장이 길어진다

• 중력적색편이는 백색왜성의 스펙트럼에서 쉽게 측정가능하다

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• 별이 밀집되어질 때 어떤 일이 벌어질까?

• 별이 계속 수축하여 작아질수록 별의 표면중력은 커진다

• 시공간은 더 심하게 휘어진다

• 표면근처에서 중력적색편이는 더욱 커진다

결 국 은 블 랙 홀 이 되 다

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• 별이 3km반경이 되었을때 그 별표면으로 생기는 적색편이는 무한대가 된다

• 어떤 빛도 별 밖으로 빠져나올 수 없다

• 별은

블랙홀

^{이 된다}

• 시공의 구덩이는 너무 깊어서 바닥이 없는 우물을 형성하게 된다

결 국 은 블 랙 홀 이 되 다

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중 력 파

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• 아인쉬타인은 서로 궤도운동을 하고 있는 2개의 질량은

중력파

^를

생성한다고 예측했다

• 중력파는 시공간에서 일어나는 물결

• 질량이 아주 큰 천체들이 서로 아주 가깝게 궤도운동을 할때 중력파가 가장 강하다

• 가장 시끄러운 중력파는 2개의 블랙홀이 나선운동을 하면서

합병되기 바로 전의 순간에 관측되게 될 것이다

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• 2015년 9월 14일 LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)에서 중력파 신호 검출

• 중력파천문학의 시작

중 력 파 관 측

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중 력 파 관 측

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• 어떤 학자들은 블핵홀이 화이트홀과 결합하여 웜홀을 형성할 가능성이

있다고 주장

• 웜홀은 수십억광년 떨어진 물질들을 운반할 수 있다

조 금 이 상 하 지 만 . . .

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• 웜홀은 공상과학소설에서 아주 유명해졌다

• 우리눈에는 구형으로 보이게 된다

• 2차원 우주의 초공간

관측자에게는 터널처럼으로 밖에 보이지 않는다

웜 홀

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블 랙 홀

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https://www.youtube.com/watch?v=ClUtvlZquLI&t=177s