블랙홀의 특이점은 무엇인가요?

'블랙홀' 하면 많은 친구들이 2019년 4월 10일 미국 워싱턴, 중국 상하이와 타이베이, 산티아고에서 있었던 EHT(사건 지평선 망원경)을 떠올릴 것이라고 믿는다. 칠레, 벨기에 브뤼셀, 덴마크 링비, 일본 도쿄가 동시에 기자회견을 열어 '사건의 지평선 망원경'의 첫 번째 주요 결과를 영어, 중국어, 스페인어, 덴마크어, 일본어로 공개할 예정이다. 인류가 획득한 블랙홀 이미지. 사진[1].

'블랙홀 특이점'이 무엇인지 이해하려면 먼저 블랙홀이 무엇인지, 블랙홀이 어떻게 생성되는지 알아야 한다. "블랙홀"의 개념은 케임브리지 대학교의 자연철학자인 John Mitchell이 ​​1783년에 Cavendish에게 쓴 편지에서 암흑별의 개념을 제안하면서 처음 시작되었습니다. 미셸의 암흑별 개념에서 빛은 입자 형태로 존재한다. 뉴턴의 중력 법칙에 따르면 행성이 충분히 크고 밀도가 높을 때 탈출 속도는 빛의 속도에 가깝습니다. 이때 행성의 빛 입자는 행성의 중력의 제약을 벗어날 수 없으며, 행성에서 방출되는 빛은 우주의 다른 곳에서는 관찰할 수 없습니다. 미셸은 이러한 유형의 천체를 '암흑별'이라고 부릅니다. '검은 별'이라는 개념이 사람들에게 블랙홀을 떠올리게 한 이유는 영국의 물리학자 토머스 영이 1801년 그 유명한 영의 이중슬릿 실험을 통해 빛의 간섭 성질을 발견하고 빛의 형태로 존재함을 증명했기 때문이다. 상상했던 대로 미립자가 아닌 파도?[3] 당시 사람들의 생각에는 '검은 별'이라는 추측이 터무니없었다.

1915년이 되어서야 아인슈타인은 중력에 대한 사람들의 이해를 변화시킨 일반 상대성 이론을 제안했습니다. 1916년 독일의 천문학자 카를 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild)는 구형 대칭 조건 하에서 아인슈타인의 중력장 방정식을 계산하여 진공 해를 얻었습니다. 이 해는 질량이 있는 점 주위의 시공간 구조를 설명하며 입자가 주변 공간을 왜곡한다는 사실을 발견했습니다. -시간, 특정 임계 반경 내의 공간은 우주의 나머지 부분과 격리됩니다. 즉, "사건의 지평선"이라는 인터페이스가 있습니다. 이 인터페이스에 들어가면 빛조차도 빠져나올 수 없습니다. 이 임계 반경은 슈바르츠실트 반경 R=2GM/c^2라고 하며, 여기서 Gτ는 중력 상수, cτ는 블랙홀 질량을 나타냅니다. 슈바르츠실트 반경으로부터 블랙홀 사건의 지평선 반경의 크기가 블랙홀의 질량과 양의 관계가 있다는 것이 알려져 있습니다[4]. 일반적으로 별 내부의 핵융합 반응은 고온 가스를 생성합니다. 가스의 압력 구배력은 중력과 경쟁하여 별이 핵연료를 모두 소모하면 온도가 감소합니다. 그리고 압력 구배력이 감소하여 중력에 맞서 물질이 중심을 향해 빠르게 붕괴되고, 물질의 일부는 자체 중력에 의해 중심을 향해 모여 밀도가 높은 천체를 형성합니다. 원래 별의 질량이 태양 질량의 약 20배(1 태양질량 = 1.9891×1030kg)보다 클 경우, 폭발 후 형성된 밀도가 높은 물체는 블랙홀입니다.

'블랙홀'이라는 이름은 1967년 12월 29일 미국의 유명 물리학자 휠러가 컬럼비아 대학교에서 '우리 우주: 알려진 것과 알려지지 않은 것'이라는 제목으로 강의하면서 공식적으로 명명됐다. , "블랙홀"은 이후 점차 물리학에서 적절한 용어가 되었습니다. 엄격한 일반 상대성이론을 적용하는 블랙홀의 경우, 블랙홀의 표면은 슈바르츠실트 반지름에 의해 결정된 구형 표면으로 결정될 수 있습니다. 단순한 슈바르츠실트 블랙홀 모델(전하 및 회전하지 않음)과 비교하면 실제 블랙홀은 더 큽니다. 완전한 블랙홀을 설명하려면 질량, 전하, 각운동량이라는 세 가지 이상의 물리량이 필요합니다. 이것이 호킹(Hawking), B. 카터(B. Carter) 등이 1973년에 "블랙홀 털이 없는 정리(Black Hole Hairless Theorem)"로 엄격하게 증명한 것입니다. [5] 블랙홀이 형성된 후에는 전자기 복사로 변환될 수 없는 보존이 세 개만 남습니다. 다른 정보("머리카락")가 손실되면 블랙홀은 자신이 형성된 물질의 복잡한 특성이 거의 없으며 전구체 물질의 모양이나 구성에 대한 기억도 없습니다.

블랙홀을 발견하는 방법은 무엇입니까? 블랙홀과 우주의 대부분 천체의 차이점은 블랙홀을 직접적으로 관찰할 수 없다는 점입니다. 현재 블랙홀에 대한 관측은 대부분 블랙홀 주변의 물리적인 과정인 강착과 제트를 통해 이루어집니다. 블랙홀 강착이란 블랙홀 주변의 가스가 블랙홀의 강한 중력의 영향을 받아 블랙홀 쪽으로 떨어지는 과정을 말한다. 가스가 낙하하는 과정에서 중력 위치에너지는 내부에너지와 운동에너지로 변환되므로 블랙홀 근처에 도달하는 가스의 온도는 섭씨 수백만도에서 수백억도에 이를 수 있다. 이러한 고온 플라즈마는 강력한 다중 대역 전자기 복사를 방출하고 제트와 바람도 생성합니다. 또한 이러한 가스는 일반적으로 각운동량을 전달하므로 디스크 모양의 구조, 즉 블랙홀 강착 디스크를 형성합니다. 블랙홀 제트란 블랙홀 강착 원반 위에서 빛의 속도에 가깝게 가속된 입자가 강한 자기장의 영향을 받아 블랙홀 극에서 튀어나와 길쭉한 제트를 형성하는 입자를 말합니다. 블랙홀의 질량이 크기 때문에 회전이 매우 안정적이며, 회전축은 오랜 시간이 지나도 변하지 않습니다. 따라서 블랙홀의 제트는 항상 길고 직선적이며 때로는 우주 공간까지 뻗어나갑니다. 제트기의 길이는 수만 광년에 달할 수 있습니다 [7].

이러한 물리적 과정을 관찰함으로써 우리는 우주의 다른 천체들이 블랙홀 중력에 의한 가속도에 의한 마찰로 인해 어떻게 엑스선과 감마선을 방출하는지에 대한 '에지 정보'를 얻을 수 있다. 블랙홀로 빨려 들어가거나, 별을 관찰하거나, 성간 구름과 가스 질량의 궤도를 관찰해 블랙홀의 위치와 질량 등의 정보를 유추할 수 있습니다. 역사상 최초로 발견된 블랙홀은 백조자리 X-1으로, 그 질량은 태양의 약 8~10배이며, 주변 천체의 붕괴로 인해 X선 대역에서 이 블랙홀은 유난히 밝게 보입니다. 별의 궤도를 관찰해 유추한 블랙홀은 은하수 중심 궁수자리 A*(Sgr A*) 영역에 숨어 있는 초대질량 블랙홀이다. 2009년 국제 천문학자 팀이 16년을 기준으로 그 결과를 얻었다. 2017년까지 중심에 있는 블랙홀인 별 17개에 대한 궤도 분석을 바탕으로 28개 별의 궤도가 밝혀졌다. 은하수의 질량은 더 낮은 오차로 계산되었습니다 [8]. 이렇게 작은 지역에서는 태양 질량의 400만 배 이상을 갖고 있는데, 이런 특성을 지닌 다른 천체를 찾기는 어렵습니다. 천문학자들은 이 증거가 은하수 중심에 숨어 있는 초대질량 블랙홀을 가리킨다고 믿고 있습니다.

블랙홀 자체의 물리적 특성에 따라 블랙홀은 회전하지 않는 블랙홀과 전하되지 않은 블랙홀 - 슈바르츠실트 블랙홀, 회전하지 않는 전하 블랙홀 - R-N 블랙홀, 회전하는 전하 블랙홀 - 커 블랙홀, 회전하는 전하 블랙홀 - 커-뉴먼 블랙홀. 블랙홀은 질량에 따라 항성질량 블랙홀, 중간질량 블랙홀, 초대질량 블랙홀 등 세 가지로 분류된다. 항성질량 블랙홀은 태양질량의 몇 배에서 수백 배이고, 초대질량 블랙홀은 태양질량의 수백만 배이며, 중간질량 블랙홀은 그 사이에 있습니다. 우리은하와 유사한 은하계에는 적어도 수억 개의 항성 블랙홀이 있는 것으로 추정되지만, 대부분 강착원료가 부족해 관측이 어렵다. 은하수에서 [ 9].

1988년 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)과 옥스퍼드 대학교 수학 교수 로저 펜로즈(Roger Penrose)***는 1970년대 이상한 현상을 증명한 공로로 울프상(Wolf Prize)을 수상했습니다. 일반 상대성 이론은 불완전합니다. 왜냐하면 일반 상대성 이론이 보편적으로 타당하다면 우주의 시공간에 특이점이 분명히 존재하기 때문입니다. 블랙홀 연구센터는 블랙홀의 질량과 지평선이 제한되어 있음에도 불구하고 이러한 질량이 지평선 전체에 고르게 분포되어 있지 않고 블랙홀 중심의 한 지점에 모여 있다는 사실을 발견했습니다. 밀도, 무한히 높은 시공간 곡률, 무한히 작은 시스템, 무한한 열을 가지며 아무것도 없는 공간으로 둘러싸인 이 영역을 블랙홀의 "특이점"이라고 합니다. [10].

호킹의 저서 'The Grand Design'[11]에서는 특이점을 다음과 같이 설명하고 있다. 특이점이란 물리량이 무한해지며 고전 물리법칙이 무너지는 공간과 시간의 지점이다. 특이점은 빅뱅에서 나타났고 블랙홀에서도 형성됐다. 즉, 우주와 시간은 특이점에서 시작될 수도 있고, 특이점에서 끝날 수도 있다.

? '블랙홀 특이점'은 지식 폭발의 출발점이 될 것입니다. 여기서 우리는 엄밀하고 흥미로운 대중 과학 지식을 보여주고, 세계의 신비를 함께 탐구하며, 그 비밀을 열어갈 것입니다. 당신 주변의 '블랙박스'.

참고자료 :

[1] 최초의 블랙홀 사진 공개! 보세요, 보세요, 블랙홀의 얼굴을 보세요! [N]. 인민일보, 2019-04-10.

[2]. 존 미셸(John Michell). 항성의 감소로 인한 거리, 크기 등을 발견하는 방법. 그러한 감소가 그들 중 어느 곳에서든지 발견되어야 하고 그러한 다른 데이터가 그 목적을 위해 더 필요한 관찰로부터 얻어져야 하는 경우에 대비하여 John Michell 목사, B. D. F. R. S. In. Henry Cavendish에게 보낸 편지, Esq. F. R. S. 및 A. S.[J]. 런던 왕립학회의 철학적 거래, 1784, 74:35-57.

[3].Liu Qian. [ J]. 과학기술 싱크탱크, 2015(11):78-85.

[4]. 천문학에 접근하여 블랙홀의 신비를 밝히다 [J]. 49 (03):196-199.

[5].Bekenstein. 블랙홀에 대한 새로운 "스칼라 머리" 정리.[J] D, 입자 및 필드, 1995. 51 (12).

[6]. 블랙홀 강착원반 이론의 진전 [J]. Progress in Astronomy, 2001(03):365-374.

[7]. Yuan Feng. 블랙홀 제트에 대한 연구 진행[J]. Physics, 2015, 44(02):69-76.

[8].Gillessen S, Plewa PM, Eisenhauer F, et al. 은하 센터의 항성 궤도 모니터링에 대한 업데이트, 2017, 837(1):30.

[9]. 최초의 블랙홀 사진 공개' 이벤트 해석 [J]. Science Bulletin, 2019, 64(20): 2077-2081.

[10]. Zhao Ang. 호킹과 블랙홀에 대한 연구 [N] . Workers Daily, 2018-03-23(006).

[11]. Hawking, S. ), Mlodinow, et al. A Brief History of Time·Grand Design: Hawking's 70th Birthday Celebration Limited Edition [M]. 후난 과학 기술 출판사, 2011.