블랙홀에 관한 호킹(Hawking)의 정리 50년 만에 첫 입증

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-05 09:27:14
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* 호킹의 가정,"블랙홀 사건 지평선 줄어들 수 없다."
* 두 개 블랙홀 충돌 시 결과물의 사건 지평선의 표면도 이전 지평선의 표면보다 커야 한다.
* 2015년에 발견된 두 블랙홀의 합병을 이용하여 호킹의 정리를 테스트
* 충돌 전 두 블랙홀의 사건 지평선은 약 23만5000㎢의 면적. 합병 후 면적 36만7000㎢에 달해

호킹 정리에 대한 첫 번째 증명
중력파는 블랙홀의 이벤트 지평선에 대한 핵심 예측을 증명한다.


50년 후 입증 :
1971년 영국의 물리학자 스티븐 호킹은 블랙홀의 사건 지평선이 결코 줄어들 수 없다고 가정했다. 최근 중력파는 이 정리에 대한 첫 번째 관찰 증거를 제공했다. 두 개의 블랙홀이 병합되기 전과 후의 파동 패턴을 비교해 보면 병합 후의 사건 지평선이 합병 전 두 블랙홀의 합보다 더 크다는 것을 알 수 있다. 이것이 바로 Hawking이 예측한 것이다. 

▲ 50년 전, 물리학자 Stephen Hawking은 블랙홀의 사건 지평선 영역에 대한 정리를 제안했다. 이제 확인됐다.

2018년에 사망한 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 블랙홀에 대한 우리의 시각을 다른 어느 것과도 다르게 형성했다. 1970년대 초에 그는 자신의 이름을 딴 호킹 방사능을 포함하여 이러한 우주 특이점에 대한 몇 가지 기본 이론을 제안했다.
사건의 지평선이 어떤지, 그리고 모든 정보가 그 뒤에서 회복 불가능하게 잃어버리는 지에 대한 질문들은 호킹에게 평생을 사로은 테마였다. 그는 사후에 출판된 그의 마지막 전문 기사에서 이에 대한 가설을 제시했다.

사건의 지평선에 대한 호킹의 정리

Hawking의 기본 정리는 50년 만에 관찰에 의해 처음으로 확인됐다.
1971년 물리학자는 블랙홀의 사건 지평선이 결코 작아질 수 없다고 가정했다. 두 개의 블랙홀이 충돌하는 경우 결과물의 사건 지평선의 표면도 이전 두 이벤트 지평선의 표면보다 커야 한다.

Hawking은 이러한 법칙을 수학적, 물리적으로 결정적으로 입증할 수 있었지만 관찰에 근거한 증거는 여전히 계류 중 이었다. 오랫동안 블랙홀을 직접 매핑하거나 측정하는 방법은 없었다. 2016년에 처음으로 중력파를 감지했을 때에 비로소 변경됐다. 이러한 시공간 진동의 미묘한 진동 패턴에는 충돌과 관련된 블랙홀의 크기, 질량 및 거동에 대한 정보도 포함되어 있기 때문이다.
▲ 2008년 강연하는 스티븐 호킹의 모습. © NASA / Paul Alers

중력파가 이것을 증명할 수 있을까?

호킹이 자신의 영역 이론을 증명할 기회를 얻은 것은 이번이 처음이었다.
그는 2016년 2월에 "중력파를 감지하는 능력은 천문학에 혁명을 일으킬 잠재력이 있다"고 말했다. 그는 즉시 캘리포니아 공과 대학의 LIGO 공동 설립자 킵 토른(Kip Thorne)을 찾았다.

호킹 “중력파를 기반으로 사건 지평선의 크기를 결정하여 그의 정리를 확인할 수 있습니까?”
그러나 Thorne은 먼저 그의 유명한 동료의 질문을 거부해야 했다. 그 당시에는 탐지기의 기술적 가능성과 특히 신호 처리가 아직 신호에서 충분한 세부 정보를 얻을 수 있을 만큼 발전되지 않았기 때문이다.

관찰은 Hawking의 예측을 확인


그 사이에 상황이 바뀌었다. 매사추세츠 공과 대학 (IT)의 LIGO 연구소의 막시밀리아노 이시(Maximiliano Isi)와 그의 팀은 중력파 신호에서 필요한 주파수를 분리할 수 있는 기술을 개발했다.
이를 통해 두 개의 블랙홀 병합 시작과 결과 후 블랙홀 모두에 대해 이벤트 지평선의 영역을 결정할 수 있다. 이제 물리학자들은 이 방법을 사용해 2015년에 발견된 두 블랙홀의 합병을 이용하여 호킹의 정리를 테스트했다.

결과 : 충돌 전 두 블랙홀의 사건 지평선은 약 23만5000㎢(평방 킬로미터)의 면적을 합친 것이다. 합병 후 블랙홀의 사건 지평선은 36만7000㎢에 달했다. 따라서 새로운 사건의 지평은 Hawking이 예측 한 바와 같이 합병 전 블랙홀 둘의 합보다 크다.
연구자들은 측정에 대한 신뢰 구간은 95%이다고 언급했다. 

▲ 이벤트 지평선의 크기는 블랙 홀 충돌 중에 방출된 중력파에서도 읽을 수 있다. © LIGO / T. Pyle

"시작에 불과”

측정 결과 처음으로 Hawking이 그의 정리에 맞았음을 확인된 것이다.
Isi는 "우리의 데이터는 사건 지평선의 면적이 증가했으며 따라서 Hawking의 면적 정리가 충족되었음을 매우 확실하게 보여준다"고 말했다. 이 점에서도 영국의 위대한 우주 학자의 예측은 옳다. 비록 현재의 경우 호킹이 더 직접 경험할 수 없었더라도 말이다.

그러나 Isi와 그의 LIGO 동료들은 그들의 임무가 먼 길이어서 아직 끝났다고 보지 않는다.
이것은 Hawking의 영역 정리에 대한 첫 번째 확인이기 때문이다.
“울타리 밖에 다양한 조밀한 물체로 가득한 우주가 있을 수 있다. 그들 중 일부는 아인슈타인과 호킹의 법칙을 따를 수도 있고 다른 일부는 완전히 다를 수도 있다”고 Isi는 말한다. “따라서 이것을 한 번만 테스트하는 것으로는 충분하지 않다.”
물리학자들은 다른 충돌 이벤트의 중력파를 자세히 살펴볼 계획이다.
(Physical Review Letters, 2021; doi : 10.1103 / PhysRevLett.127.011103)
출처 : Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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