[Black Hole] 블랙홀 분류 - black hole classification

이번 글에서는 블랙홀을 어떻게 분류하는지에 대해서 소개할려고 합니다.

블랙홀이 가질 수 있는 물리적 특성은 3가지로 알려져 있습니다. 각각은 다음과 같습니다.

 

"질량, 전하, 각운동량 - 영어로는 각각 M, Q, J로 표기합니다."

 

이렇게 블랙홀이 3가지의 물리량만 가질 수 있다는 이론을 블랙홀의 무모발 정리$(\text{No-Hair Theorem})$이라고 합니다.

+ 참고로 전 머리카락이 많습니다. 아직 젊습니다.

 

오늘 제가 소개할 틀은 크게 2가지입니다.

1. 질량, 전하, 각운동량에 따른 블랙홀의 분류
2. 질량에 따른 블랙홀의 분류

그럼 이제 시작해보겠습니다.

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1. 질량, 전하, 각운동량에 따른 블랙홀의 분류

종류	질량$(M)$	전하$(Q)$	각운동량$(J)$
슈바르츠실트$(Schwarzschild)$ 블랙홀	o	x	x
커$(kerr)$ 블랙홀	o	x	o
라이스너-노르드스트룀$(Reissner–Nordström)$ 블랙홀	o	o	x
커-뉴먼$(Kerr-Newman)$ 블랙홀	o	o	o

 

1-1. 각 블랙홀에 대한 특징

1. 슈바르츠실트 블랙홀

- 가장 사람들에게 많이 알려진 블랙홀의 종류라고 생각합니다. 왜냐하면 가장 이해하기 쉽고 처음으로 일반상대성이론의 장방정식을 풀어서 나온 간단한 해이기 때문입니다.

- 사건의 지평선은 구형으로 정의됩니다.

 

2. 커 블랙홀

-  회전에 의해서 에르고구라는 특이한 영역이 존재하며 중심 특이점이 고리 모양으로 존재하는 특징이 있습니다.

- 블랙홀의 회전 방향과 물질의 회전 방향이 같다면 counter rotating 또는 retrograde Orbit을 가진다고 표현합니다. 반대로 블랙홀의 회전 방향과 물질의 회전 방향이 반대라면 co-rotating 또는 Direct Orbit을 가진다고 표현합니다. 

 

3. 라이스너-노르드스트룀 블랙홀

- 전하의 존재로 사건의 지평선이 2개 존재할 수 있습니다. 이에 대한 자세한 수학은 다루지 않겠습니다. 사건의 지평선 2개 있다는 것은 신기한 사실이지만 아쉽게도 현재 학자들의 생각은 블랙홀이 전하를 가지고 있더라도 빠르게 중성화될 것이라고 생각 중입니다. 더군다나 블랙홀이 전하를 가지고 있다는 관측적인 증거도 없는 상황입니다. 

+ 제가 이 부분은 부족할 수 있습니다. 혹시 블랙홀이 전하를 가지고 있다는 발표한 관측 논문을 찾게된다면 제가 글을 수정하도록 하겠습니다.

 

4. 커-뉴먼 블랙홀

- 가장 일반적인 블랙홀 형태라고 생각 중입니다. 물리량 3가지를 모두 다루고 있으니 정말 복잡합니다. 

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2. 질량에 따른 블랙홀의 분류

지금까지는 물리량 3가지를 전반적으로 다루었다면 이번에는 질량에만 초점을 맞춰서 블랙홀을 분류하도록 하겠습니다. 

종류	질량 범위	형성 시기	형성 원리
원시 블랙홀	$10^{-8} \sim M_{\bigodot}$	빅뱅 직후 인플레이션 시기 ~ $10^{-35}$초	인플라톤장의 요동에 의한 국소적인 중력 붕괴$^2$
항성질량 블랙홀	$3-40M_{\bigodot}$, 일부는 $40-70M_{\odot}$$^1$	별 형성 이후 - 1억년 후 ~ 현재	무거운 별$(\geq 8M_{\bigodot}$)의 붕괴 또는 직접 붕괴
중간질량 블랙홀	$100-10^{5}M_{\bigodot}$	별 형성 이후 ~ 수억년 후 ~ 현재 -> 추측 중입니다.	항성 질량 블랙홀의 병합 또는 성장
초대질량 블랙홀	$10^{5}-10^{10}M_{\bigodot}$	은하 형성 이후 ~ 수억년 후 ~ 현재	중간 질량 블랙홀의 병합 또는 성장 또는 다수의 블랙홀의 병합

2-1. 각 블랙홀에 대한 특징

1. 원시 블랙홀$(Primordial Black Hole, PBH)$ - 암흑 물질의 후보군으로 언급되었으며, 호킹 복사에 의해 가벼운 블랙홀은 증발하고 태양 질량에 가까운 블랙홀은 있지 않을까? 추측 중이다.

 

2. 항성질량 블랙홀$(Stellar-Mass Black Hole)$- X선 이중성과 중력파 관측으로 존재가 확인됨.

 

3. 중간질량 블랙홀$(Intermediate-Mass Black Hole, IMBH)$ - 구상성단, 왜소은하의 중심에 있을 것으로 추측 중이다. 또는 HLX, ULX가 언급된다.$^3$ 아직까지 후보군이 많이 부족하여 연구가 필요하다. 후보군의 예시에는 ESO 243-49, 47 Tuc, $\omega$ cen 등이 있다.

 

4. 초대질량 블랙홀$(Supermassive Black Hole, SMBH)$ - 대부분의 거대은하 중심에 있을 것으로 생각된다. 대표적으로 EHT로 촬영한 M87은하의 블랙홀이 있습니다. 

EHT 국제 공동 연구팀이 공개한 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광 사진 나선형의 밝은 선들은 M87 블랙홀 주변의 자기장과 연관되어 있는 편광의 방향을 보여준다.

Index

1. Mass Gap과 연결되어 있는 내용입니다. 이는 추후에 다루도록 하겠습니다.

2. 인플라톤장과 관련된 내용은 https://bh-astrophysics.tistory.com/6 를 참고하시면 됩니다.

3. X-ray에서 많은 에너지를 방출하는 점광원으로 각각은 Hyper-Luminous X-ray source, Ultra-Luminous X-ray source의 약자이다. 에너지의 크기가 $\geq 10^{41}erg*s^{-1}$라면 HLX, $\geq 10^{39}erg*s^{-1}$ ULX로 분류한다. 

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3. 추가적인 정보 모음

해당 부분은 안 읽으셔도 됩니다. 제가 공부한 부분을 추가로 소개합니다. 관심 있으시면 읽어보시는 것을 추천드립니다. 

 

1. 추가적인 중간질량 블랙홀 후보군 - NGC4395 -> https://bh-astrophysics.tistory.com/2 참고

 

2. 추가적인 초대질량 블랙홀 후보군 - 정말 많으나 조사한 부분만 소개드립니다. / NGC 1052, 1ES 1927+654, NGC 7319 - UHZ1, NGC5643, M87, LID-568 등...

 

• 1ES 1927+654 - 2018년에 비활성 상태에서 활성 상태로 전환된 은하이다. 최근에는 빛의 속도의 3분의 1 속도로 이동하는 한 쌍의 제트 분출을 관측했다. 그리고 중심에 초대질량 블랙홀이 존재할 것으로 예상되며 그 질량은$1.4*10^{9}M_{\odot}$으로 추측 중이다. 나아가 해당 제트는 x선 플레어에 이어 처음에는 뜨거운 가스에 의해 가려졌다가 VLBA를 이용해서 전파로 관측하는데 성공했다.

위의 이미지는 AGN 1ES 1927+654에서의 accretion disk, corona, 제트 진화를 보여주는 이미지입니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 시스템의 시간적 진화를 나타내고 있습니다.

 

• LID-568 - 질량이 $7.2 \times 10^6 M_\odot$​인 블랙홀로, 에딩턴 한계의 4000% 이상에 달하는 초에딩턴 부착을 보인다.

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☆ 글을 읽어주셔서 감사합니다. 질문이나 수정사항은 댓글로 부탁드립니다~

 

 

Reference

https://m.dongascience.com/news.php?idx=45067

주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

 

https://m.dongascience.com/news.php?idx=68333

이론한계보다 '먹성' 40배 좋은 초기 우주 블랙홀 첫 발견

Multi-wavelength observations of a jet launch in real time from the post-changing-look Active Galaxy 1ES 1927+654

, 2025, arxiv, DOI: https://arxiv.org/abs/2501.02340

Multi-wavelength observations of a jet launch in real time from the post-changing-look Active Galaxy 1ES 1927+654