[블랙홀 우주론 -1. 우리는 지금 블랙홀 안에서 살고 있다! ]
많은 사람들이 떠올리는 블랙홀(Black hole)의 이미지는 강한 중력, 조석력이 존재해서, 사람을 엿가락처럼 늘이는 이미지이지만, 블랙홀의 크기를 규정하는 슈바르츠실트 식에는 조금 다른 내용들이 포함되어 있다.
(블랙홀에도 몇 가지 종류가 있지만, 간단한 분석을 위해서) 슈바르츠쉴트 식에서 블랙홀의 크기(반지름) R은 질량 M에 비례한다. 부피는 R^3에 비례하고, 질량은 R^1에 비례하기에, 평균밀도 ρ는 R/R^3 = 1/R^2 = 1/M^2에 비례하게 된다. 즉, 질량 M이 커질수록, 평균밀도 ρ가 빠르게 작아진다. 비유적으로 태양 질량의 100억 배 이상인 블랙홀의 경우에는 물에 둥둥 떠다닐 수 있을 정도로, 같은 부피를 차지하는 물에 비해서도 가볍다.
원리적으로 블랙홀은 특별한 물질이 모인 대상이 아니라, 보통의 물질이더라도 어떤 반경(슈바르츠실트 반경) 안에 충분히 모아두기만 하면, 블랙홀이 되는 것이다. 식을 잘 보면, 질량이 작은 것은 블랙홀이 되기 위해서 밀도가 매우매우 높아야 하지만, 질량이 큰 것은 블랙홀이 되기 위해서 밀도가 높지 않아도 블랙홀이 될 수 있다.
그런데, 우리는 우주에 대한 관측으로부터 몇 가지 관측값을 갖고 있는데, 현재 우주의 임계밀도는 수소 원자 5~6개 수준이고, 관측 가능한 우주의 크기는 대략 465억 광년(46.5Gly)이고, 전체 우주는 이보다 더 큰 것으로 추정하고 있다.
현재 우주의 밀도는 임계밀도와 거의 일치하는 상태이므로, 임계밀도 값을 구해보면,
이다. 이 값은 허블상수 H0 값에 따라 약간 달라진다. 대략 1m^3당 수소 원자 5~6개 수준으로 지구보다 훨씬 낮은 밀도를 갖고 있다.
맨 위의 2번째 식으로부터, 우주 블랙홀의 크기, 반지름을 구해보면,
현재 우주의 임계밀도 또는 평균밀도(우주가 거시적인 규모에서 거의 균일하다고 추정하고 있으므로, 임계밀도와 평균밀도가 거의 같은 셈이다.)를 통해서, "우주 블랙홀"의 크기를 계산할 수 있다.
위의 값이 의미하는 바는, 현재의 임계밀도(1m^3당 수소 원자 5~6개)를 갖고, 크기가 대략 R_UB=143억 광년 이상이면, 이 영역은 블랙홀이 됨을 시사한다.
물질이나 에너지가 분포하는 크기가(즉, 우주의 반지름이) 더 커질수록 블랙홀이 되기 위해 필요한 밀도 ρ는 작아지기에, 현재 우주의 밀도는 블랙홀이 되고 남음이 있는 셈이다.
우주의 크기 또는 질량 분포(반경) : (해당 질량이 만드는) 우주 블랙홀의 크기(반경)
143억 광년 이하 ////////// 블랙홀 아님.
143억 광년 //////////////// 143억 광년
200억 광년 //////////////// 391억 광년
465억 광년 //////////////// 4,916억 광년
*예를 들어, 우주에서 질량(또는 에너지) 분포가 대략 465억 광년이라면, 이 465억 광년의 질량 분포가 만드는 블랙홀의 크기(사상의 지평면, 사건의 지평면)는 대략 4,916억 광년이 되기 때문에, 465억 광년 크기의 질량 분포는 필연적으로 블랙홀의 내부에 존재하게 된다.
현재 우리가 추정하는 관측 가능한 우주의 크기는 143억 광년보다 더 크고, 전체 우주는 관측 가능한 우주보다도 더 클 것으로 추정하고 있기에, 우리 우주는 필연적으로 우주라는 거대 블랙홀의 내부에 존재하고 있게 된다.
이처럼 우리 우주가 블랙홀 또는 블랙홀 내부에 존재하는 모델을 블랙홀 우주론(Black hole cosmology)이라고 부르며, 이러한 모델은 1970년대에 등장한 것으로 보인다.
https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_cosmology
블랙홀 우주론은
1) 유한 우주 : 우리는 아직 우주가 유한한지 무한한지 모른다. 그러나 개인적인 생각으로는, 무한은 수학적 관념으로 물리적 실체 중에 무한한 것은 없는 것 같다. 평탄한 시공간(평평한 시공) 또한 무한 우주를 보증하지 못한다. 우주의 나이가 유한한 점과, 중력을 비롯한 각종 장의 전달속도가 유한한 점을 고려하면, 질량 분포는 유한할 가능성이 매우 높다고 생각된다. 따라서 무한 우주를 제외하면, 2)~4)번의 문제와 마주하게 된다.
2) 슈바르츠실트 반지름 식 R=2GM/c^2
3) 관측된 평균밀도
4) 관측 가능한 우주 46.5Gly, 관측 가능한 우주보다 훨씬 더 큰 전체 우주
블랙홀 우주론은 위 4가지 항목의 필연적인 결론이다.
2)번은 서로 다른 이론체계에서 검증된 식이고, 3) 4)번은 매우 단단한 기반 위에 놓여 있으며, 설령 3)번 과 4)번이 약간의 오차를 갖더라도, 관측 가능한 우주보다 훨씬 더 큰 전체 우주는 필연적으로 우주가 블랙홀이 되게끔 한다. 이것은, 우주가 R배 커지면, 블랙홀이 되기 위한 밀도는 1/R^2로 감소하기 때문이다.
그러나, 블랙홀이 가지고 있었던 몇 가지 이미지인, 사람을 분해할 정도의 강한 조석력이나 특이점으로 모든 물질을 끌어당기고 있다는 논리나 허블 법칙 등에 의한 팽창하는 우주 등은, 우리 우주가 만일 블랙홀이었다면, 모든 은하들이 특이점으로 붕괴했을 것이기에, 블랙홀 우주론이 현재의 관측 사실에 부합하지 않는 것으로 판단되었다. 따라서 블랙홀 우주론은 물리학계나 천문학계의 주류 모델이 되지 못하고, 대중 과학 속에서 나 일부 남아 있는 비주류 모델로 명맥을 이어오고 있는 실정이다.
"우리가 블랙홀 내부에서 살고 있다"라는 블랙홀 우주론은 크게 3가지 취약점 또는 반론을 가지고 있다.
1) 블랙홀 내에서 모든 물질은 특이점으로 압축되기에, 인간이 살 수 있는 공간이 존재하지 않는다. 블랙홀 내부에 관측 가능한 우주를 담을 수 있는 거의 평탄한 시공간이 존재할 리가 없다.
2) 블랙홀에서 특이점은 미래에 존재하고, 우주에서 특이점은 과거에 존재한다. 블랙홀과 우주는 서로 상반된다.
3) 우주는 팽창하고 있다. 블랙홀 내부에서 모든 물질은 특이점으로 수축해야 한다. 블랙홀의 내부에서 은하들 간의 멀어짐을 설명하기 어렵다.
어려운 문제이다. 그러나~
반론이 명확하고, 논리적인 배경을 가진 것처럼 보이지만, 이러한 반론에도 자체적인 취약점이 있다.
1) 제시된 반론 또는 취약점이 블랙홀 우주론의 구성요소인 2) ~ 4)번을 붕괴시키고 있지 못하다. 지적된 약점이 무엇이든지 간에, 블랙홀 우주론을 구성하는 1) ~ 4)번 요소가 붕괴하지 않는다면, 블랙홀 우주론은 성립할 가능성이 높다.
2) 대부분의 물리학자와 천문학자들은 특이점 문제가 양자역학을 통해서 해결되거나, 또는 어떤 미지의 방법에 의해서 해결될 것으로 생각한다. 즉, "특이점은 존재하지 않는다."고 생각한다. 따라서, 특이점 문제가 해결되는 과정에서, 블랙홀 우주론의 특이점 문제 또한 해결될 가능성이 있다.
3) 특이점 문제는 슈바르츠실트 해에서 존재한다. 따라서, 특이점이 사라지기 위해서는 슈바르츠실트 해가 바뀌어야 한다. 이것은, 블랙홀 우주론을 구성하는 "2) 슈바르츠실트 반지름 식"이 영향을 받게 된다.
4) 특이점이 사라지기 위해서는 블랙홀 내부에서 척력이 존재해야 한다. 이 척력에 의해서, 블랙홀 내부에는 더 이상 압축할 수 없는 영역이 존재해야만 한다.
따라서, 남게 되는 문제는, "더 이상 압축할 수 없는 영역이 관측 가능한 우주보다 더 클 수 있는가?"이다.
다음 글에서는
특이점으로 붕괴하는 우주를 구원하고, 블랙홀 내부에서의 우주 팽창 문제를 해결해서,
모든 생명체들이 블랙홀 내부에서도 안전하게 생활할 수 있음을 증명 또는 설명해 보겠다.
--- 블랙홀 안의 생존자로부터~
Problems and Solutions of Black Hole Cosmology
https://www.researchgate.net/publication/359192496
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