인하대 물리학 강의 영상으로, 뉴턴 역학의 탈출 속도 개념만으로 블랙홀의 반지름(슈바르츠실트 반지름)을 유도하는 과정을 다룬다. 이어 별이 백색왜성·중성자별을 거쳐 블랙홀로 무너지는 과정과 2019년 최초 블랙홀 사진 관측 이야기까지 설명한다.
화자는 일반 상대성이론이 아니어도, 뉴턴 역학의 에너지 보존 법칙만으로 블랙홀의 반지름을 똑같이 구할 수 있다는 점을 강조한다. 이를 통해 야구공·지구·우리은하 같은 익숙한 대상이 블랙홀이 될 때의 크기와 밀도를 비교하고, 별이 연료를 다 쓴 뒤 백색왜성·중성자별·블랙홀 순으로 무너지는 과정, 그리고 2019년 실제 블랙홀 사진이 어떻게 찍혔는지를 순서대로 설명한다.
화자는 블랙홀을 일반 상대성이론뿐 아니라 뉴턴 역학으로도 설명할 수 있다고 말한다. 블랙홀은 중력이 너무 커서 빛마저 빠져나오지 못하는 존재이며, 이를 뉴턴 역학의 '탈출 속도' 개념으로 풀어낼 수 있다는 것이 이 강의의 출발점이다.
지구에서 물체가 빠져나가려면 충분히 빠른 속도로 던져야 하는데, 이 속도를 탈출 속도라 부른다고 설명한다.
화자는 지구 표면에서의 역학적 에너지(운동에너지+위치에너지)와 무한히 먼 곳에서의 역학적 에너지가 같다는 보존 법칙을 이용해 탈출 속도를 유도한다. 이때 물체의 질량은 식에서 상쇄되어 사라지므로, 돌멩이든 바위든 탈출 속도는 질량과 무관하게 같다고 말한다.
이 탈출 속도가 빛의 속도(광속)와 같아지는 경우를 따지면, 그보다 빠른 속도로 던져도 빛조차 빠져나오지 못하는 조건, 즉 블랙홀이 되는 반지름을 구할 수 있다고 설명한다.
화자는 이렇게 뉴턴 역학으로 구한 블랙홀의 반지름을 슈바르츠실트 반지름이라 부른다고 설명한다. 슈바르츠실트는 구형이고 회전하지 않는 질량이라는 간단한 가정 아래 일반 상대성이론의 장방정식을 손으로 풀어 블랙홀의 존재를 예언했는데, 그 결과로 나온 반지름이 뉴턴 역학으로 구한 값과 정확히 같았다고 강조한다.
이 반지름을 경계로 안쪽에서는 정보가 바깥으로 전혀 나올 수 없는데, 이 경계를 사건 지평선이라 부른다고 설명한다.
화자는 슈바르츠실트 반지름 공식에 실제 값을 대입해 본다. 야구공이 블랙홀이 되려면 양성자보다도 작은 크기로 줄어야 해서 현실적으로 불가능하다고 말한다. 지구가 블랙홀이 되려면 반지름이 1cm까지 줄어야 한다고 설명한다.
반면 우리은하 전체가 블랙홀이 된다고 가정하면, 그때의 밀도는 오히려 공기보다 낮다고 말하며, 블랙홀이라고 해서 항상 밀도가 높은 것은 아니라는 점을 짚는다.
화자는 빛이 사건 지평선 안에서 나오지 못하는 이유를 에너지 관점으로 설명한다. 중력에 의해 에너지가 줄어들면 진동수가 0이 되는데, 광속은 그대로이므로 파장이 무한히 길어져 결국 빛이 빠져나올 수 없게 된다는 것이다.
다만 사건 지평선보다 크지만 정보가 일부 나올 수 있는 경계로 '광자구'를 언급하며, 슈바르츠실트 반지름의 1.5배 지점에서 수직으로 나오는 빛은 탈출할 수 있고, 옆으로 나오면 그 구를 회전하며 돈다고 설명한다.
화자는 별이 크기를 유지하는 이유가 핵융합에 의한 열압력과 중력이 평형을 이루기 때문이라고 설명한다. 수소가 소진되면 적색거성을 거쳐 핵융합이 철에서 끝나고, 연료가 다 떨어지면 전자의 압력(페르미 원리)으로 버티는 백색왜성이 된다고 말한다. 백색왜성은 원래 별의 질량이 태양의 1.25배까지 가능하다고 설명한다.
질량이 더 크면 전자가 양성자 속으로 들어가 중성자가 되는 중성자별이 되는데, 태양 질량의 3배까지 가능하며 반지름은 약 10km 정도라고 말한다. 이보다 더 크면 중성자의 압력도 중력을 버티지 못해 계속 작아지며 결국 블랙홀이 된다고 설명한다.
화자는 2019년 발표된 최초의 블랙홀 사진이 '이벤트 호라이즌 텔레스코프'라는 프로젝트로 찍힌 것이라 설명한다. 이는 허블 망원경처럼 우주에 떠 있는 위성형 망원경이 아니라, 지상 여러 나라에 있는 20여 곳의 전파망원경을 네트워크로 묶어 관측한 것이며, 6개국 200명 이상의 학자가 국제 공동연구단으로 참여했다고 말한다. 이 과정에 한국천문연구원, 서울대학교, 연세대학교 학자들도 참여했다고 언급한다.
관측된 블랙홀은 지구로부터 5,500만 광년 떨어진 처녀자리 은하 중심부에 있으며, 질량은 태양 질량의 약 65억 배, 사건 지평선의 지름은 약 400억 킬로미터라고 설명한다. 서로 독립적인 네 그룹이 각자 이미지를 만들어 비교한 뒤 결과가 일치함을 확인하고 2019년에 발표했다고 정리한다.
이 영상은 2020년 11월 업로드된 대학 강의 영상이며, 슈바르츠실트 반지름 유도와 별의 진화, 2019년 블랙홀 관측 결과에 대한 설명은 모두 강의자의 구두 설명을 그대로 정리한 것이다.