블랙홀 모형

목적

블랙홀 모형을 제작함으로써 블랙홀이 무엇인지, 블랙홀의 중력이 시공간에 어떤 영향을 미치는지 이해할 수 있다.

학습 목표

• 학생들은 실습으로부터 블랙홀, 중력, 시공간이라는 중요한 천문학적인 개념에 대해서 알 수 있다.
• 학생들은 질량이 큰 물체 주변의 공간 곡률에 대한 물리적인 모형을 만들고 질량이 작은 물체에 끼치는 영향을 관찰 할 수 있다.
• 학생들은 물체가 중력 우물을 지날 때 물체의 속도가 충분하지 않거나 중력 우물이 매우 깊다면 어떤 일이 발생하는지에 대해서 묘사할 수 있다.

평가

활동이 진행 중이거나 (혹은 끝나고) 학생들에게 자신이 관찰한 것을 묘사하게 하여라: 다른 질량(과 중력)을 가진 물체는 시공간에 어떻게 영향을 미쳤는가? 예시 질문 :

• 만약 질량이 작은 공이 사용하면 구슬의 움직임은 어떻게 바뀔까? (정답: 질량이 작은 공은 중력이 상대적으로 작기 때문에 시공간을 덜 왜곡한다. 그러므로 질량이 작은 구슬은 천천히 움직이고 구슬의 궤적은 공 쪽으로 덜 휘게 된다.)
• 만약 구슬과 공이 같은 질량이라면 어떤 움직임을 보일까? (정답: 동일한 중력에서 동일하게 왜곡된 시공간을 보인다. 따라서 서로가 ‘빨려 들어갈 때’까지 에너지를 사용하면서 서로의 궤도를 공전할 것이다.)
• 만약 당신이 좀 더 강한 구슬을 굴린다면 어떤 일이 발생할까? (정답: 그 구슬들은 더 많은 에너지를 가지고 더 빠르게 이동할 것이다. 만약 구슬이 공에 너무 가까이 있어서 지나칠 수 없다면 구슬들은 ‘빨려 들어가기’보다는 공을 지나칠 것이다. 구슬의 궤적은 직선의 형태보다 약간 왜곡될 것이다.)

준비물

• 근육 상해에 사용되는 탄성력 있는 고무 밴드(즉, Tubifix)
• 작은 구슬
• 매우 무거운 공(불게임, 보체, 페탕크 게임에서 사용되는 구슬 같은 것)

배경지식

중력

중력은 두 물체 사이에 작용하는 힘이다. 질량(무게)이 있는 모든 물질은 중력을 가진다. 중력은 자석과 같은 역할을 하는데 두 물체를 서로 잡아당긴다. 중력이 발생하는 이유는 사실 제대로 알려진 바는 없다. 지구는 중력을 가지고 있고 중력은 지구상의 모든 것들이 행성 표면에 있도록 잡아두어 우주로 떠다니지 않게 한다 : 나무, 물, 동물, 건물, 우리의 호흡에 필요한 공기, 이 모든 것은 중력에 의해서 지구에 붙잡혀 있는 것이다. 우리 우주의 모든 행성, 항성, 위성들은 중력을 가지고 있다. 심지어 우리의 몸도 다른 물체에 중력을 행사한다. 지구의 중력은 우리 신체의 중력보다 훨씬 더 강해서 우리 몸이 가지고 있는 중력은 거의 눈에 띄지 않는다.

중력은 크기와 물체 사이의 근접거리(가까움)에 영향을 받는다. 지구와 달은 지구와 목성사이 보다 훨씬 더 강한 힘으로 서로를 끌어당긴다. 왜냐하면 지구와 달 사이의 거리가 다른 것들과의 거리보다 가깝기 때문이다. 지구가 더 크기 때문에 지구는 달을 더 강하게 잡아당긴다. 그래서 우주인의 몸이 달 표면에서 끌어당겨지는 것보다 지구에서 더 강하게 당겨지는 것이다. 우주인이 지구에서보다 달에서 더 높이 뛸 수 있는 이유이기도 하다. 우리는 중력을 직접 ‘느낄’ 수는 없다. 오직 중력을 거슬러 뛰거나 혹은 우리가 떨어질 때 중력의 영향을 느낄 수 있다. 실제로 ‘만유인력의 법칙’에 대해서 생각했던 사람은 정원에 앉아서 무언가 생각하고 있을 때 그의 머리 위로 떨어진 사과로부터 영감을 얻은 것이다. 그 사과는 중력에 의해서 지구로 당겨졌던 것이다!

블랙홀

블랙홀은 중력이 너무 강해서 들어가면 탈출할 수 있는 그 어떤 물질도 없는 – 심지어 빛도 – 영역이다. 블랙홀은 아주 거대한 별이 연료를 모두 소진하여 자신의 무거운 최외각 기체 영역을 유지할 수 없게 될 때 형성된다. 별이 충분히 크다면 – 대략 태양 질량의 25배 – 중력은 그 기체 덩어리를 잡아당겨서 별의 모든 질량이 오직 딱 한 점에 모일 때까지 별을 점점 더 작게 만들 것이다. 이것을 ‘특이성’이라고 한다.

블랙홀이 형성된 이후에 블랙홀은 자기 주변에 있는 다른 항성이나 블랙홀과 같은 물질들로부터 질량을 흡수하여 점점 더 성장할 수 있다. 만약 블랙홀이 수백만 태양질량에 달할 정도로 충분히 물질을 흡수했다면 블랙홀은 ‘초거대 질량 블랙홀’이 된다. 초거대 질량 블랙홀은 우리은하를 포함한 대부분 은하의 중심부에 존재한다고 알려져 있다.

블랙홀은 세 부분으로 구성된다.: 특이점(붕괴한 별), ‘내부 사건의 지평선’(아무것도, 심지어 빛조차 탈출할 수 없는 특이점 주변의 영역), 그리고 ‘외부 사건의 지평선’(물체들이 블랙홀의 중력을 느끼지만 붙잡혀 들어가지 않는 영역)

천문학자들은 주로 빛을 이용해 우주의 천체들을 관측한다. 하지만 블랙홀은 아무런 빛을 방출하지 않기 때문에 평범한 방식으로 관측되지 않는다. 대신 천문학자들은 블랙홀과 다른 물체 사이의 상호작용을 관측해야만 한다. 예를 들어 블랙홀은 마치 물이 배수구로 빨려 들어가듯이 물질을 안으로 잡아당겨서 블랙홀 주변에 원반을 형성한다. 이 원반이 빠르게 돌수록 블랙홀은 극도의 온도에 달하게 되고 이는 엄청난 양의 빛과 물질이 화려한 제트의 형태로 뿜어져 나가게 하는 원인이 된다. 만약에 제트가 우리 쪽을 향하고 있다면 매우 빛날 것이기 때문에 지구에 있는 망원경들로 쉽게 찾을 수 있다. 물질을 ‘집어삼키지’ 않고 있는 블랙홀을 발견하는 방법은 블랙홀 주변의 별의 움직임을 관측하는 것이다. 이는 블랙홀 때문에 별의 궤적이 바뀌기 때문이다.

시공간

공간은 세 가지 차원(위-아래, 좌-우, 앞-뒤)으로 구성된다. 만약 네 번째 차원인 시간을 추가한다면 이것을 시공간 연속체라고 부를 수 있다. 다소 낯설게 느껴지겠지만 누군가를 처음 만났을 때를 상상해보아라: 당신은 그 사람을 만날 장소(우주에서 공간)를 알아야 할 뿐만 아니라 언제 만날지도 알아야 한다!

알버트 아인슈타인은 ‘일반 상대성 원리’에서 ‘공간의 구조(시공간)’에 대해 처음으로 제안한 사람이다. 중력에 대해 아인슈타인 이론 이전에는 아이작 뉴턴이 설명한 대로 힘이라고 생각했었다. 하지만 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력을 ‘시공간의 곡률’로 설명했다. 이 개념은 고무 시트로 시공간을 상상할 수 있게 하였다. 물질이 시공간을 휘게 만드는 것과 마찬가지로 고무 시트 위의 공이 자기 주변의 시트를 휘어지게 만든다.

전체 활동 설명

아래 활동에서 학생들은 블랙홀 모형을 만든다. 이는 학생들에게 정확히 블랙홀이 시공간을 ‘굽어지게’하고 주변 물체들에게 영향을 미치는 방법에 대해서 시각적으로 표현한다. 해당 활동은 약 1시간이 걸린다.

단계 1 :

이 활동에 앞서 ‘사전지식’ 부분을 활용하여 학생들에게 중력의 개념에 대해서 소개한다. 아이작 뉴턴과 사과나무 이야기를 들려주거나, 모든 아이들이 뜀박질을 하도록 하여 아이들이 지구로 다시 당겨짐을 느낄 수 있도록 하는 방법이 있다.

단계 2 :

탄성이 있는 밴드를 40 X 40cm 크기로 자른다. 만약 밴드가 튜브 형태라면 밴드를 편평하게 만들기 위해서 한쪽 면을 관통하여 자르면 된다.

단계 3 :

일부 학생들에게 2차원의 ‘공간’을 표현하기 위해서 밴드가 팽팽하게 될 때까지 수평으로 펼치게 하여라. 학생들은 자신의 움직임이 실험에 영향을 주지 않도록 밴드를 고정된 상태로 쥐고 있어야 한다.

단계 4 :

구슬을 밴드 위에 올려 밴드 표면에서 굴려라. 구슬의 궤적은 우주를 지나다니는 빛의 광선과 비슷하게 직선으로 움직일 것이다.

단계 5 :

조금 더 무거운 공으로 바꾸어라. 밴드 위에 공을 둘 때 ‘공간’ 역할의 천이 어떻게 변형되는지 볼 수 있을 것이다. ‘공간’은 무거운 물질에 의해 휜다.

단계 6 :

작은 구슬이 무거운 물체 주위에 다가가도록 굴려라. 작은 구슬의 궤적은 밴드의 변형에 의해서 변할 것이다. 이것은 무거운 물질이 변형시킨 주변 공간 근처를 빛이 지나갈 때 나타나는 현상과 매우 흡사하다. 구슬의 속력을 다양하게 하여 구슬의 궤적이 어떻게 변하는지 관찰하여라.

단계 7 :

질량이 중심에 더 집중될수록 (즉 더 무겁고 큰 공) 밴드는 더 많이 휘게 된다. 이것은 구슬이 탈출할 수 없도록 ‘중력 우물’의 깊이를 더 깊게 만든다.

단계 8 :

구슬이 큰 공에 가까이 갈수록 ‘큰 공(블랙홀)’ 주변을 돌게 되는 것이고 마침내 큰 공(블랙홀)이 만든 우물에 빠지게 된다. 이제 물질이 블랙홀에 쉽게 빨려 들어가지만 다시 빠져나오기 힘든 이유에 대해서 눈으로 확인할 수 있다. 이런 현상은 블랙홀에서 일어나는 현상이다: 블랙홀의 중력은 빛이나 다른 물질들을 블랙홀로 빨려 들어가게 하지만 탈출하지 못하게 하면서 공간을 변형시킨다.

커리큘럼

추가 정보

Cornell 대학교의 ‘Ask an Astronomer’ 사이트에서 블랙홀에 대한 정보를 얻을 수 있다. 매우 다양한 질문들과 초보자, 중급자, 상급자에 따라 적절한 응답을 해준다.

http://curious.astro.cornell.edu/blackholes.php

남유럽 천문대에서 제작한 영상은 블랙홀 주위를 도는 별들에 대한 실제 자료를 보여준다.

http://www.eso.org/public/videos/eso0846a/

Space Telescope Science Institute의 SNS 사이트에서도 블랙홀에 대한 많은 정보뿐만 아니라 온라인 활동과 실험도 제공한다.

http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/

추가 질문들:

• 구슬의 속력을 줄이면 어떤 일이 일어날까?
• 좀 더 무거운 공을 사용하면 어떤 일이 발생할까? 무거운 구슬은 어떤가?
• 항성의 움직임을 관측할 때 블랙홀이 어디에 존재하는지 어떻게 알 수 있을까?

결론

블랙홀 모형이 성공적으로 제작되고 물체의 움직임에 대해서 증명할 수 있으면 이 활동은 완료된다. 선생님은 학생들과 함께 학생들이 배운 것을 평가하기 위해서 그 증명 방법에 대해서 논의해야 한다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 심현진 교수님과 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.