두 블랙홀 충돌 후 "파편"을 방출할까?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-07-03 11:10:14
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- 물리학자 스티븐 호킹은 1974년에 블랙홀도 일종의 방사선을 방출한다고 가정
- 블랙홀은 이미 중력파 탐지기인 LIGO, Virgo 등을 이용해 수십 차례 탐지
- 두 개의 블랙홀이 하나로 합쳐지면 비선형 중력이 강한 시공간 영역이 사건의 지평선 바로 바깥에 블랙홀 ‘부스러기’를 형성
- 50년 전 이론적으로 가정됐던 블랙홀의 '부스러기' 확인 될 것
영국의 물리학자 스티븐 호킹은 1974년에 블랙홀도 일종의 방사선을 방출한다고 가정했다. 현재 그의 이름을 따서 명명된 이 호킹 방사선은 가상 입자와 반입자 쌍이 양자 요동으로 인해 사건 지평선에서 지속적으로 형성되기 때문에 발생한다. 그들 중 하나가 이 "돌아올 수 없는 경계"의 이쪽에 있고 다른 쪽에 있는 경우, 그들은 서로 상쇄되지 않으며 입자 중 하나와 그 안에 포함된 정보가 탈출할 수 있다.
호킹의 이론에 따르면 블랙홀이 작을수록 이 방사선은 더 강해진다. 동시에, 호킹 방사선은 블랙홀의 에너지를 잃게 만들고 궁극적으로 문자 그대로 폭발하게 된다. 문제는 지금까지 블랙홀에서 방출되는 방사선을 직접적으로 감지하는 것이 불가능하다는 것이다. 유사한 효과는 실험실 실험을 통해 간접적으로만 관찰되었다.
충돌 후 "구멍 조각"
이제 리옹 대학교의 Giacomo Cacciapaglia가 이끄는 천체물리학자들은 블랙홀에서 나오는 호킹 복사가 천문학적 관측을 통해서도 입증될 수 있는 방법을 발견했다. 그 출발점은 블랙홀의 충돌이다. 블랙홀은 이미 중력파 탐지기인 LIGO, Virgo 등을 이용해 수십 차례 탐지됐다. 두 개의 중력 거인의 합병은 시공간을 뒤흔들지만, 한 이론에 따르면 작은 "구멍 조각"도 방출할 수 있다.
연구진은 “두 개의 블랙홀이 하나로 합쳐지면 비선형 중력이 강한 시공간 영역이 사건의 지평선 바로 바깥에 블랙홀 ‘부스러기’를 형성하게 된다”고 설명한다. 이탈리아어로 "Bocconcini di Buchi Neri"라고도 알려진 이 조각은 작은 블랙홀에 해당한다. "이러한 블랙홀 부스러기는 합병 근처에서 대량으로 생산되어야 한다"고 Cacciapaglia는 설명했다.
이 조각들은 병합된 블랙홀의 에너지 예산에 일반적으로 태양 질량의 몇 배의 에너지가 부족한 이유를 설명할 수 있다. 팀이 보고한 대로 이러한 조각은 눈에 보이지 않는 "검은 부스러기"에 있다.
감마선과 중성미자의 방출
하이라이트:
충돌 중에 형성된 "Daughter Hole"은 비교적 작기 때문에 강력한 호킹 방사선을 방출한다. 모델 시뮬레이션에서 Cacciapaglia와 그의 동료들은 이 방사선이 테라전자볼트(TeV) 에너지 범위의 고에너지 감마 및 중성미자 방사선으로 감지 가능해야 한다고 결정했다. 따라서 이는 현재까지 포착된 가장 강력한 우주 입자의 범위에 속한다.
그러나 천체물리학자들의 보고에 따르면 블랙홀 조각은 또 다른 증상으로 드러날 수도 있다. "검은 부스러기"가 작을수록 수명이 짧기 때문이다. 연구원들의 계산에 따르면, 질량이 2만 톤에 달하는 작은 파편은 약 500초 후에 폭발하는 반면, 더 무거운 파편은 수십 년에서 수백 년이 걸릴 수 있다. Cacciapaglia와 그의 동료들은 "끝이 나기 직전에 방출된 방사선과 입자의 에너지가 증가하여 일종의 폭발에 도달한다"고 설명했다.
오늘날의 관측소로 감지할 수 있나요?
이는 다음을 의미한다. "블랙홀 소멸의 가시적 신호에는 감마선 범위의 광자도 포함되므로 H.E.S.S., HWAC 및 LHAASO와 같은 고에너지 관측소에 대한 기회를 제공한다"고 팀은 썼다. 이 검출기는 특히 고에너지 우주선과 입자를 포착하도록 설계되었다. 따라서 소멸되는 블랙홀 부스러기의 최종 폭발은 이 망원경에서 수 테라전자 볼트 범위의 짧은 감마선 폭발로 나타나야 한다.
실제로 LHAASO 천문대는 최근 그러한 다중 테라전자볼트 사건의 목록을 발표했는데, 그중 일부는 알려진 출처에 기인할 수 없다. 그것은 바로 블랙홀 충돌의 파편을 소멸시키는 데서 나오는 방사선일 수 있다. "이 파편의 질량이 백만 톤 이상이라면 최종 소멸되기까지 몇 년에서 수십 년이 걸렸을 것이다"고 Cacciapaglia와 그의 팀은 설명했다.
이는 이러한 사건이 중력파를 사용하여 감지된 블랙홀 충돌에 기인할 수 없는 이유를 설명한다. LIGO/Virgo 카탈로그는 단순히 충분히 멀리 돌아가지 않는다.
호킹 복사의 직접적인 증거가 곧 나올까?
천체물리학자들이 설명하는 것처럼 이것은 가까운 미래에 바뀔 수 있다. Cacciapaglia와 그의 동료들은 “우리는 충돌 후 블랙홀 파편에 의해 방출될 수 있는 호킹 복사를 관찰하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다”고 말했다. "감마선 폭발은 소행성 크기와 비슷한 블랙홀 부스러기의 독특한 발자국이다."
50년 전 이론적으로 가정됐던 블랙홀의 '부스러기'와 동시에 호킹 복사가 처음으로 직접적으로 입증되는 순간이 될 것이다.
(Preprint, arXiv, doi: 10.48550/arXiv.2405.12880)
출처: arXiv
- 물리학자 스티븐 호킹은 1974년에 블랙홀도 일종의 방사선을 방출한다고 가정
- 블랙홀은 이미 중력파 탐지기인 LIGO, Virgo 등을 이용해 수십 차례 탐지
- 두 개의 블랙홀이 하나로 합쳐지면 비선형 중력이 강한 시공간 영역이 사건의 지평선 바로 바깥에 블랙홀 ‘부스러기’를 형성
- 50년 전 이론적으로 가정됐던 블랙홀의 '부스러기' 확인 될 것
블랙홀은 "파편"을 방출할까?
충돌하는 블랙홀의 파편은 호킹 복사의 증거를 제공할 수 있다.
우주 잔해:
블랙홀이 충돌하면 중력 거인의 파편, 즉 일종의 블랙홀 "부스러기"가 방출될 수 있다. 천체물리학자들의 보고에 따르면, 이것들은 감마선 범위에서 오늘날의 탐지기로도 탐지할 수 있을 만큼 충분한 호킹 방사선을 방출할 수 있다고 한다. 만약 그들이 옳다면, 이것은 물리학자 스티븐 호킹이 예측한 블랙홀의 복사를 처음으로 직접 증명하는 가장 쉬운 방법이 될 것이다.
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| ▲ 블랙홀의 호킹 복사는 직접적으로 입증된 적이 없다. 이제 새로운 모델이 이것이 어떻게 작동하는지 보여준다. © Rost-9D/Getty 이미지 |
영국의 물리학자 스티븐 호킹은 1974년에 블랙홀도 일종의 방사선을 방출한다고 가정했다. 현재 그의 이름을 따서 명명된 이 호킹 방사선은 가상 입자와 반입자 쌍이 양자 요동으로 인해 사건 지평선에서 지속적으로 형성되기 때문에 발생한다. 그들 중 하나가 이 "돌아올 수 없는 경계"의 이쪽에 있고 다른 쪽에 있는 경우, 그들은 서로 상쇄되지 않으며 입자 중 하나와 그 안에 포함된 정보가 탈출할 수 있다.
호킹의 이론에 따르면 블랙홀이 작을수록 이 방사선은 더 강해진다. 동시에, 호킹 방사선은 블랙홀의 에너지를 잃게 만들고 궁극적으로 문자 그대로 폭발하게 된다. 문제는 지금까지 블랙홀에서 방출되는 방사선을 직접적으로 감지하는 것이 불가능하다는 것이다. 유사한 효과는 실험실 실험을 통해 간접적으로만 관찰되었다.
충돌 후 "구멍 조각"
이제 리옹 대학교의 Giacomo Cacciapaglia가 이끄는 천체물리학자들은 블랙홀에서 나오는 호킹 복사가 천문학적 관측을 통해서도 입증될 수 있는 방법을 발견했다. 그 출발점은 블랙홀의 충돌이다. 블랙홀은 이미 중력파 탐지기인 LIGO, Virgo 등을 이용해 수십 차례 탐지됐다. 두 개의 중력 거인의 합병은 시공간을 뒤흔들지만, 한 이론에 따르면 작은 "구멍 조각"도 방출할 수 있다.
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| ▲ 알베르트 아인슈타인 연구소(Albert Einstein Institute)의 시뮬레이션에서와 같이 블랙홀이 합쳐지면 중력파가 생성되지만, 블랙홀 자체의 파편도 생성될 수 있으며, 이는 호킹 복사에 의해 감지될 수 있다. © NASA/Albert Einstein Institute, Werner Benger, CC-by 2.0 |
연구진은 “두 개의 블랙홀이 하나로 합쳐지면 비선형 중력이 강한 시공간 영역이 사건의 지평선 바로 바깥에 블랙홀 ‘부스러기’를 형성하게 된다”고 설명한다. 이탈리아어로 "Bocconcini di Buchi Neri"라고도 알려진 이 조각은 작은 블랙홀에 해당한다. "이러한 블랙홀 부스러기는 합병 근처에서 대량으로 생산되어야 한다"고 Cacciapaglia는 설명했다.
이 조각들은 병합된 블랙홀의 에너지 예산에 일반적으로 태양 질량의 몇 배의 에너지가 부족한 이유를 설명할 수 있다. 팀이 보고한 대로 이러한 조각은 눈에 보이지 않는 "검은 부스러기"에 있다.
감마선과 중성미자의 방출
하이라이트:
충돌 중에 형성된 "Daughter Hole"은 비교적 작기 때문에 강력한 호킹 방사선을 방출한다. 모델 시뮬레이션에서 Cacciapaglia와 그의 동료들은 이 방사선이 테라전자볼트(TeV) 에너지 범위의 고에너지 감마 및 중성미자 방사선으로 감지 가능해야 한다고 결정했다. 따라서 이는 현재까지 포착된 가장 강력한 우주 입자의 범위에 속한다.
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| ▲ 다양한 질량의 블랙홀 부스러기에서 나오는 감마선 에너지. © Cacciapaglia 등/CC-by 4.0 |
그러나 천체물리학자들의 보고에 따르면 블랙홀 조각은 또 다른 증상으로 드러날 수도 있다. "검은 부스러기"가 작을수록 수명이 짧기 때문이다. 연구원들의 계산에 따르면, 질량이 2만 톤에 달하는 작은 파편은 약 500초 후에 폭발하는 반면, 더 무거운 파편은 수십 년에서 수백 년이 걸릴 수 있다. Cacciapaglia와 그의 동료들은 "끝이 나기 직전에 방출된 방사선과 입자의 에너지가 증가하여 일종의 폭발에 도달한다"고 설명했다.
오늘날의 관측소로 감지할 수 있나요?
이는 다음을 의미한다. "블랙홀 소멸의 가시적 신호에는 감마선 범위의 광자도 포함되므로 H.E.S.S., HWAC 및 LHAASO와 같은 고에너지 관측소에 대한 기회를 제공한다"고 팀은 썼다. 이 검출기는 특히 고에너지 우주선과 입자를 포착하도록 설계되었다. 따라서 소멸되는 블랙홀 부스러기의 최종 폭발은 이 망원경에서 수 테라전자 볼트 범위의 짧은 감마선 폭발로 나타나야 한다.
실제로 LHAASO 천문대는 최근 그러한 다중 테라전자볼트 사건의 목록을 발표했는데, 그중 일부는 알려진 출처에 기인할 수 없다. 그것은 바로 블랙홀 충돌의 파편을 소멸시키는 데서 나오는 방사선일 수 있다. "이 파편의 질량이 백만 톤 이상이라면 최종 소멸되기까지 몇 년에서 수십 년이 걸렸을 것이다"고 Cacciapaglia와 그의 팀은 설명했다.
이는 이러한 사건이 중력파를 사용하여 감지된 블랙홀 충돌에 기인할 수 없는 이유를 설명한다. LIGO/Virgo 카탈로그는 단순히 충분히 멀리 돌아가지 않는다.
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| ▲ 다양한 질량의 블랙홀(및 파편)이 소멸될 시간이다. © Cacciapaglia 등/CC-by 4.0 |
호킹 복사의 직접적인 증거가 곧 나올까?
천체물리학자들이 설명하는 것처럼 이것은 가까운 미래에 바뀔 수 있다. Cacciapaglia와 그의 동료들은 “우리는 충돌 후 블랙홀 파편에 의해 방출될 수 있는 호킹 복사를 관찰하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다”고 말했다. "감마선 폭발은 소행성 크기와 비슷한 블랙홀 부스러기의 독특한 발자국이다."
50년 전 이론적으로 가정됐던 블랙홀의 '부스러기'와 동시에 호킹 복사가 처음으로 직접적으로 입증되는 순간이 될 것이다.
(Preprint, arXiv, doi: 10.48550/arXiv.2405.12880)
출처: arXiv
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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