기사 소개****의심스러운 블랙홀
프랑스어 번역:
블랙홀의 존재에 대한 의문.
저자:
장-피에르 프티, 마르세유 천문대
| 과학 | jp-petit.com |
피에르 미디, 오르세 CRI.
이 연구는 10년간의 노력의 결실이다. 지난 30년 동안 천체물리학자들은 오직 하나의 용어만 입에 올렸다. 바로 "블랙홀"이다. 이 주제는 대중을 매혹시켰으며, 이미 여러 권의 책이 이 주제에 할애되었다. 그러나 관측적 확증은 여전히 부족하다. 블랙홀은 "부재로 인해 빛난다." 그런데도 우주는 광대하다. 우리 은하 하나만 해도 최소 1000억에서 2000억 개의 별을 포함하고 있다.
퀘이사(quasar)와 같이 일부 천체의 존재는 관측을 통해 입증되었다. 현재 우리는 4000개 이상의 퀘이사를 알고 있다. 하지만 이것이 이러한 천체를 완전히 이해한다는 뜻은 아니다. 그것들이 어떻게 형성되고, 어떻게 진화하며, 수명이 얼마나 되는지 우리는 알지 못한다. 사실 우리는 그것들에 대해 아무것도 모른다. 그것들은 단지 천문학자 메시에 시대의 "성운"처럼 목록화되었을 뿐이다.
분명히 일부 퀘이사는 은하 유형의 형성 중심부에 존재한다. 이러한 은하들은 "활성 핵"을 가지고 있는데, 이는 동시에 아무 의미도 모든 의미도 될 수 있다. 우리는 활동의 본질이나 에너지원이 무엇인지 전혀 알지 못한다.
현대 천체물리학은 적은 것으로 만족하는 것처럼 보인다. 질문:
- 퀘이사는 무엇인가?
천체물리학자는 답한다:
- 그것은 활성 은하의 핵이다.
그리고 질문:
- 활성 은하는 무엇인가?
그는 답할 것이다:
- 그것은 중심에 퀘이사가 있는 은하다...
불과 몇 년 전, 우리는 "감마선 폭발"을 발견했으며, 하루에 하나씩 발생한다. 프랑스 잡지 《시에 에 스페스(Ciel et Espace)》(하늘과 우주)의 표지에는 한때 "감마선 폭발: 마침내 풀린 미스터리"라는 헤드라인이 실렸다. 잡지 지면에 대한 답변은 다음과 같다: 감지된 감마선 폭발의 위치에서 작고 밝은 점이 막 관측되었다는 것이다. 즉, 미스터리를 풀었다는 것은 하늘의 일부 영역이 폭발을 방출할 때 빛도 방출한다는 것을 알게 되었다는 뜻이다....
이것은 좀 .. 빈약하지 않은가?
반대로, 관측 이전에 존재가 추측된 다른 천체들도 있으며, 종종 높은 정밀도로 추측되었다. 대표적인 예는 초신성이다. 이는 1931년 미국 캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 유명한 강연에서 미국 천체물리학자(스위스 출신) 프리츠 즈비키가 설명했다. 즈비키는 당시 충분히 질량이 큰 별, 즉 태양 질량의 20배 이상의 별은 며칠 만에 폭발적으로 끝을 맺으며 출력이 증가할 것이며, 전체 현상은 약 20일 동안 지속될 것이라고 설명했다. 이는 놀라운 예측이었지만, 당시에는 진지하게 받아들여지지 않았다. 그러나 끈질긴 즈비키는 최초의 초신성을 발견했다. 오늘날 우리는 수백 개의 초신성을 알고 있다. 중성자별도 마찬가지인데, 이후 펄서(회전하는 중성자별)와 백색 왜성으로 확인되었다. 이 부류 역시 수백 개가 확인되었다.
블랙홀은 한 가지 문제에 대한 답으로 제안되었다: 특정 "임계 질량"을 초과한 중성자별은 어떻게 되는가? 명확히 식별된 이러한 중성자별은 양성자가 없는 거대한 원자핵과 유사하다. 왜 이러한 천체는 오직 중성자로만 구성되어 있는가?
우리는 중성자별을 거대한 별이 폭발한 후 남은 철 핵으로 간주한다. 거대한 별은 생애 동안 여러 가지 핵융합 반응이 일어나는 별이다. 그것은 더 이상의 발열 핵융합 반응에 참여할 수 없는 철을 생성하며 끝난다. 이 무거운 철은 따라서 벽난로의 재처럼 별의 중심으로 떨어진다. 별이 갑자기 연료를 다하면(즈비키가 이해한 바와 같이) 초속 80,000킬로미터(당연히 초속 1킬로미터 정도의 오차는 있다)로 자기 자신으로 붕괴한다. 철 핵으로 떨어질 때 이 가스는 강하게 압축된다. 그것은 튕겨 나올 뿐만 아니라, 별의 자기 자신에 대한 격렬한 수축에서 에너지를 얻으므로 더 이상 발열적일 필요가 없는 여러 핵융합 반응이 일어난다. 다양한 핵종이 생성되며, 여기에는 수명이 극도로 다양한 많은 방사성 원자들이 포함된다. 1987년 마젤란 운하에서 별 산들레악(Sanduleak)의 폭발은 이러한 현상의 존재를 명확히 확인해 주었다(단 15만 광년 거리).
이 현상은 원자를 분해하여 철 핵을 완전히 짓뭉갠다. 그것은 자기 자신에게 너무 강하게 압축되어 전자가 핵자 사이를 움직일 충분한 공간을 갖지 못하게 된다. 갇힌 전자는 따라서 양성자와 결합하여 중성자와 중성미자를 생성한다.
일반적으로 기체를 압축하면 압력이라는 현상이 압축에 대항한다. 이는 액체나 고체에도 해당한다(모든 것은 압축 가능하다). 젊은 별이 태어날 때 이런 일이 일어난다. 원시별은 자기 자신으로 가라앉는 기체의 덩어리이다. 그러나 그렇게 하면서 가열되고, 압력의 힘이 수축을 제한한다. 그것은 열복사 능력이 낮지만, 실제 별이 되기 위해 충분히 수축하기 전에 복사(적외선)를 통해 에너지를 잃어야 한다. 그러나 질량이 불충분하면 "큰 목성"(이 거대 행성은 태양으로부터 받는 에너지보다 더 많은 에너지를 계속 방출하지만 결코 별이 되지는 못함)이 될 것이다.
초신성의 폭발이 철 핵을 압축할 때, 후자는 엄청난 양의... 중성미자를 방출하여 에너지를 방출한다. 여기서 시나리오는 완전히 바뀐다: 중성미자는 쉽게 탈출할 수 있으므로 복사 냉각은 즉각적이다. 따라서 반압력이 없다. 철 덩어리는 처참하게 짓뭉개진다. 마치 출근 시간 지하철에 탄 일본인들처럼 서로 밀착된 중성자의 더미만 남는다.
왜 임계 질량인가? 중성자는 최대값을 초과하는 압력을 견딜 수 없기 때문이다. 마치 광산 갱도에 쌓인 전구들처럼 말이다. 전구가 일정 수준 이상 쌓이면 유리가 깨지고 깨진 유리 더미가 갱도 바닥으로 떨어진다.
중성자별의 질량이 태양 질량의 두 배보다 조금 더 크면, 그 중심의 압력이 너무 커진다. 중성자는 더 이상 이를 지탱할 수 없다. 그러면 자기 자신으로 붕괴하는 것으로 가정되며, 이 "중력 붕괴"에 대항할 수 있는 알려진 물리 현상은 없다. 천체물리학자에게는 고통스러운 전망이다.
폭발하기 전에도 중성자별은 "뉴턴 역학적" 대상과 대비되는 "상대론적" 대상이다. 이는 질량 m(예를 들어 원자) 근처의 "기준 입자"들의 궤적 모습에서 드러난다. 우리는 시공간 곡률 현상이 수성의 타원 궤도 세차운동을 일으킨다는 것을 안다. 그러나 세차운동은 미미하다. 하지만 다음 그림은 컴퓨터 계산을 통해 개발된 것으로, 중성자별 주위의 준타원 궤도의 중요한 세차운동을 보여준다.
따라서 중성자별을 "뉴턴 역학적 자료"로 설명할 여지는 없다.
계산 프로그램은 비교적 간단하며, 시간이 나면 사이트를 통해 공유하여 여러분이 직접 플레이해 보고 중력 렌즈 현상(다음 그림에서는 매우 과장됨)을 보여줄 수 있을 것이다:
따라서 임계점에 도달하는 중성자별의 운명을 설명하는 문제가 되므로, 아인슈타인의 "장 방정식"을 사용해야 한다.
S = c
T
T는 "물질 에너지"의 지역적 내용을 설명하는 "텐서"이다. 텐서는 외부에서는 0이고 내부에서는 0이 아니다. 따라서 기하학적 해는 두 방정식에서 유도되어야 한다.
내부의 경우:
S = c
T
내부의 경우
S = 0
이 유형의 방정식의 해는 "계량"이라고 불린다. 그러나 대상의 형태는 중요하지 않다. 또한 그것들은 "텐서"이며, 텐서가 무엇인지 이해하려면 행운을 빈다... 나는 꽤 오랜 시간이 걸렸다.
태양은 두 방정식의 해인 지역적 "기하학"과 관련된다. 첫 번째는 태양의 내부를 설명하고 두 번째는 주변의 진공을 설명한다. 그러나 우리는 밀도가 일정한 물질로 채워진 구형으로 구성된 일종의 "이상적인 태양"만 설명할 수 있다. 하지만 그것도 무보다는 낫다. 이러한 해는 여기에서 다루지 않을 수학적 표현을 가진다. 그것들은 여러분에게 아무 의미가 없을 것이다. 각 해는 자체적인 "개인적 병리 현상"을 가진다. 별의 반지름을 rn, 밀도를 r(일정)이라고 하자. 이 밀도 r과 빛의 속도 c의 값으로부터 첫 번째 특성 반지름 "R circumflex"를 계산할 수 있다:
내부 기하학적 해는 반지름 rn의 값이 이 임계값보다 작을 때만, 그리고 오직 그때만 "비병리적"이다.
동일한 데이터로 두 번째 특성 반지름을 계산할 수 있다:
이를 우리는 "슈바르츠실트 반지름" Rs라고 부른다. 밀도 r과 반지름이 일정한 우리 별을 둘러싼 "진공"을 참조하는 외부 해는 별의 반지름 rn의 값이 이 특성 길이보다 클 때만, 그리고 오직 그때만 비병리적이다. 두 가지를 결합하면 다음이 성립해야 한다:
오른쪽의 양은 별의 밀도에 따라 달라진다(입방 센티미터당 10^15에서 10^16그램 사이). 밀도가 일정할 때 왼쪽의 양은 별의 반지름 Rn의 세제곱에 비례하여 증가한다.
이는 밀도가 일정하다고 1차 근사한 별인 태양에 유효하다. "병리 현상"이란 무엇을 의미하는가? 모든 것이다: 근호 아래 음수가 되는 양, 0이 되는 분모 등. 따라서 밀도가 일정한 별은 다음 유형의 정상 상태 해로 설명할 수 없음을 알 수 있다:
태양의 "슈바르츠실트 반지름"은 3.7km이다: (rn) 내부에 있다. 태양의 반지름이 695,000km이므로 계산해 보면 두 번째 임계 반지름 "R circumflex"의 값이 더 높다는 것을 알 수 있다.
만약 이것이 태양에 관한 것이라면, 그림의 축척으로 슈바르츠실트 반지름(3.7km)은 점 하나에 불과할 것이고 반지름 "R circumflex"는 종이 밖으로 나가버릴 것이다. 위의 그림은 더 정확히 말하면 "준임계 중성자별"을 나타낸다.
"임계점 도달"은 어떻게 일어나는가? 밀도가 일정한 중성자층을 추가하면 된다(우리는 중성자별을 고체는 아니더라도 거의 압축 불가능한 유체의 방울에 비유한다).
위 곡선들은 표시된 공식을 사용하여 단순히 얻어진다. 별의 반지름은 증가하지만 "슈바르츠실트 반지름"이 이를 따라잡는다. 그리고 두 반지름은 rn이 값 "R circumflex"에 도달할 때 만난다. 그러면 별의 표면에서 근호 아래 양이 음수가 되고, 분모가 0이 되는 등이다. 이는 임계점의 수학적이고 기하학적인 번역이다. 이는 단순히 아인슈타인 방정식에서 두 번째 항이 0이 아닌 경우(내부) 또는 0인 경우(외부)로부터 얻어진 기하학적 해를 단독으로 또는 결합하여 별을 설명하는 것이 불가능하다는 것을 의미한다. 이 반지름의 최대 특성값은 약 20킬로미터이다. 중성자별의 밀도는 이것으로부터 계산할 수 있다.
그러나 "우주인들" 사이에서도 잘 알려지지 않은 것이 있는데, 이는 1940년대의 연구에서 나온 것이다: 별의 반지름이 이 값에 도달하기 직전에 나타나는 또 다른 임계점이 있는데, 이번에는 물리적 성질을 띤다. 이는 매우 가까운 값으로 단지 5% 작다. 그러나 별의 반지름이 이 값에 도달하거나, 같은 말로 질량이 태양 질량의 두 배에 도달하면, 1940년대 톨만, 오펜하이머, 볼코프(폭탄의 오펜하이머)가 개발한 "TOV" 모델에 의해 별 중심의 압력이 무한대가 된다.
중심으로부터의 거리에 따른 중성자별 내부의 압력, 대상 질량의 다양한 값에 대해.
이것은 우리에게 근본적인 데이터이다.
이하에서는 중성자별 내부의 압력이 중심으로부터의 거리에 대해 다양한 질량에 대해 어떻게 변화하는지 보여준다:
...아마도 과학자들도 다른 사람들과 마찬가지로 답할 수 없다고 생각하는 질문은 하지 않는 것 같다. 다음 질문에 어떻게 답할 것인가:
- 어떤 환경에서 특정 지점에서 압력이 갑자기 무한대가 되면 어떻게 되는가?
그러나 아무도 그 질문을 하지 않았다. 적어도 그런 식으로는 하지 않았다. 분명히 아무도 눈치채지 못한 것 같다. 내가 이야기한 많은 우주론 전문가들은 이 측면을 알지 못했다.
"블랙홀 이야기"로 돌아가자. 우리는 이렇게 말할 수 있다: 불안정해진 중성자별의 내파 현상은 비정상 현상이다. 따라서 위의 두 방정식 전체에 대해 비정상 해를 구축하자. 그러나 우리는 그럴 만한 방식으로 할 방법을 모른다. 그래서 이론가들은 "외부 해"(예를 들어 태양 외부의 기하학을 설명하며 슈바르츠실트 반지름 3.7km에서 "병리적"이 되는 해)로 방향을 돌렸다.
- 다시 말해 "태양을 치워버리고" 이 기하학의 특성을 탐험하자. 그렇게...
- 하지만 그것은 빈 우주를 참조하는 해가 아닙니까?!
-
신경 쓰지 마, 결과나 보자...
연구는 이러한 조건에서 "태양 질량의 블랙홀"이 될 대상, 지름 3.7km의 대상으로 자유 낙하하는 물체의 방사형 궤적에 대해 시작되었다. 변수 t는 유지되었으며, 이는 방금 소환해 버린 태양을 바라보는 좋은 지구인인 "외부 관찰자"가 경험하는 시간을 참조하도록 의도되었다. 이 시간에 따라 측정된 각 시험 입자의 자유 낙하 시간이 무한대가 된다는 사실이 발견되었다. 그러나 만약 우리가 해당 입자에 시계를 부착한다면, 그것은 유한한 시간 내에 대상의 기하학적 중심에 도달할 것이다.
따라서 이론가들은 다음과 같은 비전을 제안했다:
-
이 정상 상태 외부 해는 새로운, 구세주와 같은 용도를 찾는다. 실제로, 중력 붕괴는 매우 짧은 기간(불안정해진 중성자별의 경우 약 1만분의 1초) 동안 일어난다. 그러나 현상이 "외부 관찰자"에게는 무한한 시간 동안 지속되는 것처럼 보이므로, 정상 상태 해는 본질적으로 비정상적인 현상을 설명하는 데 사용될 수 있다.
지빠귀가 없다면, 우리는 검은새를 먹자....
이 아이디어를 바탕으로 이론가들은 물질이 슈바르츠실트 표면을 통과할 때 어떤 일이 일어나는지 스스로에게 묻기 시작했다. 그리고 거기서 앞서 언급된 모든 공포들을 발견했다. 입자의 시간은... 순수한 상상이 되었다. 입자의 속도는 빛의 속도를 초과했다. 그것은 질량이... 허수인 타키온이 되는 등등.
일부는 심지어(많은 책에서 찾을 수 있다) 구 내부에서 변수 r이 시간으로 변하고 변수 t가... 방사형 거리로 변한다고 제안했다.
이제 은퇴한 뫼동(Meudon)의 우주론가 장 하이드만(Jean Heidmann)이 자주 말하곤 했다:
- 블랙홀 이야기가 나오면, 상식은 옷 보관소에 두고 오세요...
이러한 조건에서, 만약 우리가 상식을 잊기로 결정한다면, 무논리의 한계는 어디인가? 어떻게 "관측 불가능한 물리학"을 구축하기로 결정하는가? 이는 "암흑 물질"의 경우인데, 이에 대해서는 수십 편의 논문이 하루에 쓰이는 속도로 온갖 말이 오가고 있다. 아무도 내 사이트에서 풍부하게 개발된 쌍생 모델(gemellary model)을 조사해 본 적이 없는 것 같다. 그러나 일부 해외 연구자(중국, 일본)는 이를 잘 파악한 것으로 보인다.
이 분야에는 뉴스가 있다. 88-89년에 나는 《모던 피직스 레터스 A(Modern Physics Letters A)》에 세 편의 논문을 게재했으며(사이트에 재수록됨), 이는 물리 상수, 특히 신성시되는 빛의 속도 c가 변할 수 있다는 전례 없는 우주론 아이디어를 촉발했다. 이 아이디어는 1993년에 "재발견"되었다. 이후 《피지컬 리뷰(Physical Review)》, 《클래시컬 앤 퀀텀 그래비티(Classical and Quantum Gravity)》와 같은 매우 선별적인 저널에 수많은 논문이 게재되었다. 이미 상당한 수의 "상수 변동론자" 그룹이 있다. 그들 중 일부는 인터넷 사이트에서 내 연구를 발견했다. 그들 중 많은 수가 경악했으며, 특히 그 연구가 우주론이나 천체물리학(전형적으로 독일, 러시아, 미국 또는 영국적인 분야)에서 중요한 혁신으로 주목받은 적이 없는 프랑스에서 나왔다는 사실에 더욱 놀랐다. 접촉은 매우 친근한 방식으로 이루어졌다. 중국인들은 유머를 섞어 마르세유의 위치를 찾기 위해 지도책을 꺼내야 했으며 "지구의 미지의 지역을 발견한 듯한 인상"을 받았다고 말했다.
왜 이런 에피소드인가? 왜냐하면 우리 의견으로는, 중성자별 핵심에서의 아찔한 압력 증가는 물리 상수를 변화시키고 우주와 그 쌍생 우주 사이에 "초토릭 다리(hypertoric bridge)"를 생성해야 하기 때문이다. 이는 더 연구가 필요한 아이디어이다. 이것이 말해진 바와 같이, 만약 이 사업에서 도움이 필요하다면, 이미 선을 넘은 "상수 변동론자"들로부터 올 가능성이 가장 높다. 현재로서는 우리가 유일한 "쌍생론자"이지만, 상황이 항상 그렇지는 않을 수 있다.
따라서 우리 의견으로는, 쌍생 맥락은 불안정해진 중성자별의 시나리오를 완전히 바꿔야 한다. 그러나 도전적인 모델을 제안하기 전에, 우리는 블랙홀의 고전적 모델을 연구해야 한다. 이것이 이 긴 논문에서 이루어지고 있는 것이다. 내용은 "순서대로" 다루어지지 않는다. 한 섹션에서는 크루스칼(Kruskal)의 연구를 면밀히 살펴 그의 접근 방식의 결함을 보여주었다.
모든 것이 동기부여되어 있다. 1960년 크루스칼은 초기 모델("슈바르츠실트 계량")에서 문제가 되는 구, 즉 "지평선 구" 또는 슈바르츠실트 구에서 빛의 속도가 0임을 발견했고, 이 "질병"을 치료하기 시작했다.
그러나 기하학적 해로 어떻게 작업하는가? 다른 것을 발명할 수 있는가? 답은 아니다. 나는 그 논문이 좌표 선택의 자의적 성격을 명확히 보여준다고 믿는다. 본질적으로 기하학적 해는 "불변 좌표"를 가지며, 선택된 좌표에 의존하지 않는다. 비눗방울을 상상해 보라. 그것은 표면이다. 어떤 의미에서는 방울 내부의 일정한 압력에 대항하기 위해 장력에 사용되는 에너지가 전체 표면에 걸쳐 일정하다는 사실에 해당하는 장 방정식의 해이다. 질문:
- 내부 과압을 지탱할 수 있는 방식으로 기계적으로 반응하는 표면은 무엇인가?
답은:
- 그것은 구이다.
그러나 이 구, 기하학적 대상은 그 점을 식별하는 데 사용되는 좌표계와 독립적으로 존재한다. 이제 우리는 자오선과 위도선을 사용할 때 극 singularities, 즉 실제로는 특이점이 아닌 겉보기 특이점을 생성한다는 것을 안다. 그것들은 좌표 선택에 의해 유도된 특이점이다. 구의 경우, 이러한 특이점은 불가피하다. 아래 그림은 구와 그 위도 및 경도 좌표 마킹 시스템을 보여준다.
참고: 우리는 하나의 극만을 사용하여 구를 매핑하고 두 매개변수를 가진 마킹 시스템을 부여할 수 있다. 다음 그림을 보라:
첫 번째 마킹, 구의 한 점에 접하는 직선을 지나는 평면으로 구를 절단하여 얻은 매개변수 a의 첫 번째 곡선 계열.
이것은 동일한 구를 같은 점에서 구에 접하는 다른 직선을 따라 절단하여 얻은 두 번째 곡선 계열과 결합된다. 예를 들어, 첫 번째 직선에 수직인 경우.
이렇게 매핑된 구를 유일한 특이점을 숨기는 다른 각도에서 본 모습.
