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- 우주 물체의 붕괴를 촉진하고 가속화할 수 있는 메커니즘을 발견
- 호킹 방사선이 중요한 역할을 할 수 있다
- 텅 비어 있는 것처럼 보이는 진공 공간 속에서도 가상의 입자와 그 반입자의 쌍이 끊임없이 발생하고, 이들은 즉시 서로를 소멸

우리 우주는 어떻게 끝날까요?
호킹 방사선은 노화된 우주에서 중요한 역할을 할 수 있다

The Big Nothing:
우리 우주가 어떻게 끝날지는 불분명하다. 그러나 새로운 시나리오에 따르면 영국 물리학자 스티븐 호킹이 발견한 호킹 방사선이 중요한 역할을 할 수 있다. 블랙홀의 사건 지평선뿐만 아니라 시공간의 곡률이 강한 다른 영역에서도 작동하기 때문이다. 노화되는 우주에서는 남아있는 모든 거대한 물체가 이 효과로 인해 점차적으로 소멸될 수 있으며, 우주는 큰 공허로 끝난다. 

▲ 우주의 모든 별이 다 타버리면 어떻게 될까요? 언젠가는 모든 것이 무너지겠죠? © cemagraphics/Getty 이미지

우리 우주는 무한정 지속되지는 않을 것이다. 적어도 우리가 알고 있는 형태로는 되지 않을 것이다. 팽창이 계속됨에 따라 우주는 냉각되고 물질의 밀도는 감소한다. 어느 시점에서는 새로운 별을 만드는 원자재가 고갈되어 우주는 어둡고 차갑고 텅 비게 될 것이다. 블랙홀과 '검은 왜성'과 같은 불타버린 별 잔해만 남게 된다.

그러면 어떻게 되나? 이것은 여전히 ​​논란의 여지가 있다.
"빅 립(Big Rip)" 이론에 따르면 지속적인 확장은 남아 있는 모든 구조물과 물체를 기본 빌딩 블록으로 찢을 것이다. 반면에 "빅 크런치" 이론은 "환생" 옵션과 함께 일종의 역 빅뱅으로 우주가 붕괴한다고 가정한다. 마지막으로, 세 번째 이론은 우주 전체가 단지 균일하고 얇은 기본 입자 수프인 최대 엔트로피 상태인 우주의 열사(warm death)를 가정한다.

가상 입자 쌍과 호킹 복사

이제 Michael Wondrak이 이끄는 Radboud 대학의 물리학자들은 우주 물체의 붕괴를 촉진하고 가속화할 수 있는 메커니즘을 발견했다. 그 출발점은 양자요동이다. 그 결과, 겉보기에는 텅 비어 있는 것처럼 보이는 진공 공간 속에서도 가상의 입자와 그 반입자의 쌍이 끊임없이 발생하고, 이들은 즉시 서로를 소멸시킨다. 그러나 특정 조건에서는 이러한 소멸을 방지할 수 있으며 커플은 현실이 된다.

이에 대한 예는 1970년대 영국의 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 가정한 블랙홀의 호킹 복사다. 이는 가상 입자 쌍이 사건의 지평선에 직접 나타나고 두 입자 중 하나만 블랙홀로 끌려갈 때 발생한다. 그러면 다른 입자는 소멸을 피해 현실이 된다. 나머지 파트너는 방사선을 형성하여 국지적 시공간이 에너지를 잃고 블랙홀이 점점 작아지고 결국 완전히 사라질 때까지 발생한다.

사건의 지평선이 없어도 호킹 효과

여기가 Wondrak과 그의 팀이 관심을 기울인 곳이다. 그들은 호킹이 가정한 "멸종"이 사건의 지평선 없이도 일어날 수 있고 따라서 "정상적인" 천체에서도 일어날 수 있다는 것을 발견했기 때문이다. 그들의 계산에 따르면, 이는 중력이 가장 작은 수준에서 극도의 조석력을 생성할 만큼 충분히 큰 곳에서 발생한다. 물리학자들은 “가상 입자 쌍은 국지적인 조석력에 의해 분리되어 현실이 된다”고 설명했다.

이는 블랙홀이 사건의 지평선에서 직접 호킹 복사를 생성할 뿐만 아니라 더 멀리 또 다른 복사 영역이 있다는 것을 의미한다. 그들의 위치는 블랙홀의 질량 M과 중력 상수 G에 따라 달라진다. "탈출된 입자의 최고 생산 속도는 약 2.32GM이다"고 물리학자들은 보고했다. 이 구역은 사건의 지평선과 블랙홀을 공전하는 광자로부터 나오는 빛의 고리 사이의 중간쯤에 위치한다.

분리 요인으로서의 시공간 곡률

“우리의 연구는 시공간 곡률이 블랙홀로부터 멀리 떨어진 곳에서도 이 방사선의 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다”고 원드락(Wondrak)의 동료인 Van Suijlekom은 말했다. 시공간이 강하게 휘어지는 곳이라면 가상의 입자 쌍을 찢는 매우 작은 공간에서 강한 조석력이 발생할 수 있기 때문이다. 그러므로 호킹 복사는 보다 일반적인 현상의 특별한 경우일 뿐이다.

▲ 슈바르츠실트 시공간에서 제시된 중력 입자 생성 메커니즘의 개략도. 입자 생성 이벤트 속도는 짧은 거리에서 가장 높고, 탈출 확률[증가하는 탈출 원뿔(흰색)로 표현]은 먼 거리에서 가장 높다. 블랙홀 환경에서 가상 입자 쌍의 거동: 사건의 지평선에서 어느 정도 떨어진 곳에서도 입자 쌍은 찢어져 방사선이 될 수 있다.© Wondrak et al./ Radboud Universiry (출처:관련논문 Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation / PRL)

물리학자들이 설명하는 것처럼, 이 새로운 효과는 소위 슈윙거 효과(Schwinger effect)와 동일한 수학적, 물리적 기반을 갖고 있다. 지금까지 이론적으로만 가정되었던 이 효과에서는 강력한 전자기장이 가상 입자 쌍을 찢어서 소멸을 방지한다. 이 슈윙거 효과는 전기적으로 충전된 가상 입자 쌍과 미터당 1조 볼트의 극한 전기장 강도에서만 작동하지만 원드락과 그의 팀이 가정한 효과에는 적용되지 않는다.

새로운 유형의 "무로부터의 방사선"도 충전되지 않은 가상 입자에서 발생하며 중력을 기반으로 작동한다. 물리학자들은 "이 중력 조석 효과는 광자를 포함한 모든 유형의 입자에 영향을 미친다"고 말했다.

오래된 우주에서 더 빠른 붕괴

도대체 이것이 우리 우주의 종말에 대해 무엇을 의미할까? “만약 이 효과가 확인된다면, 이는 전역적(global) 사건 지평선이 없는 물질의 축적도 이러한 방사선을 생성하고 궁극적으로 붕괴된다는 것을 의미할 것이다”고 물리학자들은 설명했다. 거대한 별의 잔해와 기타 물체는 이전에 가정했던 것보다 노화된 우주에서 더 빨리 분해될 수 있다. 공동저자인 Radboud University의 Heino Falcke는 “결국 우주의 모든 것은 붕괴될 것이다”고 말했다.

연구원은 “이것은 호킹 방사선에 대한 우리의 이해뿐만 아니라 우주와 미래에 대한 우리의 관점도 변화시켰다”고 말했다.
(Physical Review Letters, 2023; doi: 10.1103/PhysRevLett.130.221502)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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