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과학기술

[우주과학] 호킹 방사선이란?

by 유용한 각종 정보(여행, IT/모바일, 엑셀 함수 등) 2022. 5. 23.
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1970년대에 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은  블랙홀 에는 온도라는 것이 존재할까? 이 간단해보이는 문제에 대한 답을 찾으려고 노력했고, 이런 그의 분석은 현재 그의 이름을 딴 개념인 호킹 방사선 이론으로 이어졌습니다.

호킹은 블랙홀이 에너지를 방출한다는 것을 보여주었을 뿐만 아니라, 블랙홀이 엄청나게 천천히 수축하고 결국 감마선의 섬광으로 폭발한다는 것을 보여주었습니다.

호킹 방사선이란 무엇인가?

호킹 복사의 아이디어는 빈 공간이 실제로 비어 있지 않다는 사실에 기반합니다. 이것은 아마도 이해하기 어려운 개념일 것입니다. 빈 공간은 질량, 입자 또는 에너지 양자를 포함하지 않지만, 빈 공간을 정의하는 양자 필드는 여전히 공간의 진공에 존재합니다.

일반적인 설명은 이러한 장이 0 에너지를 가질 필요가 없기 때문에 '가상 입자' 쌍, 일반적으로 서로 빠르게 소멸시키는 입자-반입자 쌍을 생성할 수 있다는 것입니다. 그러나 블랙홀 근처에서는 이러한 입자 중 하나가 블랙홀 내부에서 사라져 영원히 사라지고 다른 하나는 호킹 복사로 탈출할 수 있다는 설명이 있습니다.

스티븐 호킹 박사.   케임브리지 대학의 물리학 교수이자 저자

이 설명은 일반적으로 사용되지만, 완전하지는 않습니다. 호킹 복사는 실제로 일반 상대성 이론에 의해 설명된 바와 같이 중력이 시공간에 미치는 영향의 결과입니다.

빈 공간의 양자장은 하이젠베르크의 불확정성 원리를 따릅니다. 즉, 우리가 그 에너지를 알 수 있는 확실성 또는 특정 에너지가 할당될 수 있는 시간에 한계가 있음을 의미합니다. 중력장은 시공간을 휘게 하고 국부적인 시간의 흐름에 영향을 미치기 때문에 중력 곡률이 다른 시공간의 영역이 양자장의 에너지에 동의할 수 없음을 의미합니다. 소위 '가상 입자'를 생성하는 것은 블랙홀 중력장의 다른 위치에서 진공 에너지의 차이입니다.

호킹 방사선을 감지할 수 있을까?

호킹은 블랙홀에 온도가 있는지 여부에 대한 원초적 질문에 답할 수 있었습니다. 그리고, 그 온도는 매우 낮습니다. 게다가 호킹은 블랙홀이 방출하는 에너지의 양이 블랙홀의 질량에 반비례한다는 것을 보여주었습니다. 따라서 이상하게도 블랙홀의 질량이 높을수록 에너지 방출과 온도는 낮아집니다.

태양 질량 1개(태양 질량 1개는 우리 태양의 질량과 같음)의 블랙홀은 온도가 약 10-8K인 반면 태양 질량 100만 블랙홀은 약 10-14K입니다. '절대 영도'보다 약간 높은 이 온도는 우주 마이크로파 배경(CMB) 의 온도와 비교할 때 매우 낮습니다. 우주 전체에 퍼져 있는 빅뱅의 유물 복사입니다.

플랑크 위성에서 본 우주 마이크로파 배경(CMB)의 타원형 하늘 지도.

CMB는 빅뱅 직후에 남은 방사선입니다.  다른 색상은 빅뱅 이후의 밀도 변화로 인한 미세한 온도 차이입니다. 밀도가 높은 지역은 더 많은 물질을 끌어당겨 은하를 형성하게 됩니다. 

 

또한 우주는 태양 질량의 약 2.5배보다 작은 블랙홀을 일상적으로 생성할 수 없는 것으로 나타났습니다. 따라서 매우 작아서 뜨거운 블랙홀을 찾는 것은 선택 사항이 아닙니다. 따라서 호킹 복사를 감지하는 것은 사실상 불가능합니다.

하지만 한 가지 가능성이 있습니다. 일부 천문학자들은 ' 원시 블랙홀 '의 존재를 가정합니다. 이것들은 초기 우주의 밀도 변동으로 인해 형성되었을 수 있으며 여전히 천문학자들을 피하는 신비한 암흑 물질의 일부를 설명할 수 있습니다. 결정적으로 원시 블랙홀은 크기에 제약을 받지 않기 때문에 저질량 블랙홀이 존재할 가능성이 있습니다. 이들은 탐지하기에 충분한 호킹 복사를 방출할 수 있으며, 더 큰 블랙홀에 비해 수명이 짧기 때문에 죽어가는 순간에 감마선의 섬광으로 자신을 드러낼 수 있습니다.

 

블랙홀은 영원히 산다?

호킹 연구의 결론 중 하나는 블랙홀이 영원히 살지 않는다는 것이었습니다. 그들은 결국 매우 느리고 평범한 방식으로 증발합니다. 호킹 복사의 방출은 블랙홀의 질량을 점차적으로 감소시킵니다. 따라서 새로운 물질을 적극적으로 빨아들이지 않는 블랙홀은 천천히 줄어들고 궁극적으로 사라질 것입니다.

이 증발에 대한 시간 척도는 엄청납니다. 예를 들어, 태양 질량 하나의 블랙홀은 완전히 증발하는 데 1064년이 걸리는 반면 우주의 나이는 겨우 1010년입니다.

 

블랙홀 정보의 역설이란?

호킹 복사로 인한 블랙홀의 질량 증발은 '정보 역설'로 알려진 문제를 야기합니다. 양자역학의 핵심 원리 중 하나는 '정보'는 파괴될 수 없다는 것입니다. 이것은 예를 들어 입자 시스템에 대한 완전한 정보가 있는 경우 해당 시스템의 미래와 과거 상태를 예측할 수 있음을 의미합니다.

블랙홀의 사건 지평선을 가로지르는 입자가 보유한 정보는 다시 돌아올 수 없기 때문에 영원히 '잃어버린' 것입니다. 정보가 블랙홀 내에서 손상되지 않은 상태로 유지된다면 문제가 되지 않습니다. 문제는 블랙홀이 호킹 복사를 통해 질량을 잃지만 그 정보를 우주의 접근 가능한 부분으로 되돌려 주지 않는다는 것입니다.

결국 블랙홀은 완전히 사라지고 정보와 함께 삼켜져 양자역학의 규칙을 위반하게 됩니다. 이 역설에 대한 해결책을 찾는 것은 새로운 물리학으로 이어졌지만, 궁극적으로 '양자 중력'에 대한 완전한 이론이 필요할 수 있으며, 아쉽게도 이는 물리학의 미해결 문제 중 하나로 남아 있습니다.

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