사건의 지평선(event horizon)

 

사건의 지평선이란? 그 내부에서 일어난 사건이 그 외부에 영향을 줄 수 없는 경계면이다.

가장 흔한 예는 블랙홀의 바깥 경계 즉, 블랙홀 주위의 사상의 지평선이다. 외부에서는 물질이나 빛이 안쪽으로 빨려 들어갈 수 있지만, 내부에서는 블랙홀의 중력에 의한 붕괴속도가 탈출하려는 빛의 속도보다 커지므로 내부로 들어온 물질이나 빛은 사건의 지평선(이벤트 호라이즌)으로 해서 외부로 빠져나갈 수 없게 된다.
블랙홀의 가장 결정적인 특징이 바로 사건의 지평선의 존재인 것이다.
사건의 지평선은 물질과 빛이 블랙홀의 질량을 향해 안으로 들어갈 수만 있고 밖으로 나올 수는 없는 시공간상의 경계이다. 그 무엇도, 심지어 빛마저, 사건의 지평선 안쪽에서 바깥쪽으로 탈출할 수 없다. 사건의 지평선이라는 이름은 그 경계에서 ‘사건(event)’이 벌어지며 그 사건에 대한 정보는 외부의 관찰자에게 도달할 수 없어 그 사건이 벌어졌는지 여부조차 알 수 없다는 의미를 갖고 있다.
일반 상대론에 의해 예측되는 바에 따르면, 질량의 존재는 시공간을 왜곡시켜 입자의 경로를 그 질량 방향으로 구부러지게 만든다. 블랙홀의 사건의 지평선에서는 이 왜곡이 매우 심해져서 블랙홀 바깥으로 향하는 경로가 존재할 수 없게 된다.
멀리 떨어진 외부 관찰자가 보기에, 블랙홀 근처의 시계는 블랙홀에서 멀리 떨어진 시계보다 더 느리게 가는 것처럼 보인다(중력적 시간지연). 이 효과에 의해 블랙홀로 낙하하는 물체는 사건의 지평선에 가까워질수록 점점 느려지는 것처럼 보이고, 사건의 지평선에 닿기까지 걸리는 시간은 무한대가 된다. 즉 사건의 지평선에 닿는 것이 외부에서는 관찰될 수 없다. 외부의 고정된 관찰자가 보기에 이 물체의 모든 과정은 느려지는 것처럼 보이기에, 물체에서 방출되는 빛도 점점 파장이 길어지고 어두워진다(중력적 적색편이). 최종적으로 낙하하는 물체는 너무 어두워져서 보이지 않게 된다.
한편, 블랙홀로 낙하하는 파괴될 수 없는 관찰자는 이러한 효과를 경험하지 못한다. 블랙홀로 낙하 중인 관찰자가 보기에 자신의 시계는 멀쩡하게 작동하는 것처럼 보이며, 유한한 시간이 지난 후에 사건의 지평선을 넘어도 아무런 특이한 현상을 느끼지 못한다. 즉 사건의 지평선 가까이에서 관찰했을 때 사건의 지평선의 위치를 알아내는 것은 불가능하다.
블랙홀의 사건의 지평선의 모양은 언제나 대략적 구형이다. 회전하지 않는 블랙홀의 경우 사건의 지평선은 정확한 구형을 이루고, 회전하는 블랙홀은 사건의 지평선이 약간 짜부라진 회전타원체가 된다.

블랙홀 외에도 사건의 지평선은 존재하는데, 바로 암흑 에너지로 인해 발생하는 우주의 팽창에 의해 생기는 우주론적 사건의 지평선이다. 암흑 에너지로 인해 우주의 공간 자체가 팽창함에 따라 모든 은하는 서로 멀어지고 있고, 서로 간의 거리가 멀수록 멀어지는 속도도 빨라진다. 그런데 우리은하와 어떤 외부 은하 사이의 거리가 너무 먼 경우, 서로 간의 멀어지는 속도가 광속을 넘게 되는 거리가 생기게 되는데 이렇게 되면 외부 은하에서 출발한 빛은 물리적으로 지구에 영원히 도달하지 못한다. 이를 우주론적 사건의 지평선이라고 한다. 해당 반지름은 현재 약 4.1기가 파섹(약 133.7억 광년)이다.

종종 '관측할 수 있는 우주'의 개념과 '우주론적 사건의 지평선' 개념을 혼동하는 경우가 많다. 관측할 수 있는 우주란 현재 시점에 지구에서 볼 수 있는 범위를 말하며 그 직경은 약 930억 광년으로 우주론적 사건의 지평선보다 훨씬 거대하다. 관측할 수 있는 우주 내의 은하들을 우리가 볼 수 있는 이유는 그 은하들에서 빛이 출발하던 당시 그 은하는 우리의 우주론적 사건의 지평선 내부에 있었기 때문이다. 

다시 말해 지금 우리가 볼 수 있는 외부 은하의 빛은 출발한 후 우리 눈에 도달하기까지 수십억 년의 시간이 흘렀기 때문에, 그사이 우리은하와 외부 은하 사이의 거리가 더 멀어져 우주론적 사건의 지평선을 넘어가 버린 것이다. 이에 따라 지금 우리 눈에 들어오는 과거의 빛은 우리에게 도달할 수 있지만, 현재의 그 은하에서 출발하는 빛은 우리에게 영원히 도달할 수 없다.

 우주론적 사건의 지평선은 관측할 수 있는 우주보다 훨씬 크기가 작다. 관측할 수 있는 우주의 크기는 시간이 지나며 점점 우주론적 사건의 지평선은 암흑 에너지의 양상이 바뀌어 우주의 팽창 속도가 달라지지 않는 한 물리적인 크기가 비교적 일정하게 유지된다. 이는 다시 말해 우주가 팽창함에 따라 점차 더 많은 우주의 영역이 사건의 지평선 너머로 사라지고 있다는 의미가 된다.

현재 기준 관측할 수 있는 우주 전체의 약 6%만이 우주론적 사건의 지평선 내가 있다. 이는 우리가 볼 수 있는 모든 은하 중 94%는 과거의 정보가 남아있기에 당분간은 볼 수 있지만 더 이상 정보를 교환할 수 없으며 오늘 당장 빛의 속도로 출발해도 영원히 도달할 수 없는 곳이라는 의미이다. 그나마 6%의 사건의 지평선 내에 남아있는 부분도 시간이 흐르며 사건의 지평선 너머로 사라질 것이고 결국 우주론적 사건의 지평선 내에는 국부 은하군만이 남을 것이다.

약 1,500억 년 정도가 지나면 대부분의 외부 은하군이 사건의 지평선 너머로 사라지게 된다고 한다. 그 때문에 어떤 학자들은 시간이 지나 그 은하들이 사건의 지평선을 넘어가서 방문할 수 없게 되기 전에 언젠가는 광속에 가까운 우주선을 개발해서 최대한 많은 외부 은하에 인류를 보내 개척해야 한다고 주장한다.

 

<이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope)은 블랙홀의 주변을 관측하기 위해 여러 전파 망원경을 연결하여 하나의 큰 망원경 배열을 만드는 국제 협력 프로젝트이며 또는 그 망원경을 가리킨다>

 

 

2025.01.27 - [우주:과학] - 블랙홀(black hole) 이란?