사건의 지평선
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1. 개요
사건의 지평선은 빛의 속도로 움직이는 입자가 탈출할 수 없는 시공간의 경계이다. 블랙홀의 사건 지평선은 블랙홀 내부에서 모든 광선 경로가 블랙홀 안으로 휘어져 들어가는 경계로, 슈바르츠실트 반지름 내에 있는 비회전체의 경우 슈바르츠실트 반지름 표면이 사건의 지평선 역할을 한다. 우주론에서는 관측 가능한 우주의 사건 지평선이 현재 방출된 빛이 미래에 관측자에게 도달할 수 있는 가장 큰 공변 거리로 정의된다. 가속 운동하는 입자나 우주 팽창으로 인해 겉보기 지평선이 발생하기도 하며, 일반 상대성 이론의 한계를 넘어 양자역학적 효과와 관련된 연구가 진행 중이다. 이벤트 호라이즌 망원경은 블랙홀 주변을 관측하기 위한 국제 협력 프로젝트이다.
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중력 특이점은 일반 상대성이론에서 시공간이 정의되지 않고 물리량이 무한대로 발산하는 지점으로, 다양한 형태로 나타나며 이론에 따라 존재가 부정되거나 사건 지평선 뒤에 숨겨져 있다고 여겨지기도 하고 블랙홀의 엔트로피와 관련된 호킹 복사 이론과도 관련된다.
| 사건의 지평선 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 정의 | 시공간 내에서 어떠한 것도 탈출할 수 없는 영역의 경계 |
| 다른 이름 | 슈바르츠실트 반지름 |
| 관련 개념 | 블랙홀, 상대성이론 |
| 역사 및 이론 | |
| 최초 제안 | 존 미첼 (1784년) |
| 이론적 배경 | 일반 상대성이론 |
| 주요 연구자 | 스티븐 호킹 |
| 관련 연구 | 블랙홀 정보 역설 |
| 특징 | |
| 경계면 | 사건의 지평선은 어떠한 물리적 장벽도 아니며, 수학적으로 정의되는 경계면임 |
| 관측 | 외부 관찰자는 사건의 지평선을 통과하는 물체를 볼 수 없으며, 시간이 무한히 느려지는 것처럼 보임 |
| 정보 손실 문제 | 사건의 지평선을 통과하는 정보는 영구히 손실되는 것처럼 보이지만, 이는 양자역학적 관점에서 논쟁의 여지가 있음 |
| 종류 | |
| 블랙홀 사건의 지평선 | 블랙홀 주변의 강력한 중력으로 인해 빛조차 탈출할 수 없는 경계 |
| 우주론 사건의 지평선 | 우주의 팽창으로 인해 더 이상 관측할 수 없는 영역의 경계 |
| 가속도 사건의 지평선 | 가속하는 관찰자가 볼 수 없는 영역의 경계 |
2. 정의
사건 지평선은 빛의 속도로 움직이는 입자가 시공간의 무한대로 탈출할 수 없는 구역의 경계이다. 시공간 의 등각 무한(conformal infinity영어)은 다음과 같은 조각들로 나타내어진다.
- 시간꼴 미래 등각 무한
- 시간꼴 과거 등각 무한
- 영벡터 미래 등각 무한
- 영벡터 과거 등각 무한
- 공간 등각 무한
만약 시공간 의 및 가 민코프스키 공간의 및 와 동형일 때, 을 '''점근적으로 평탄'''(asymptotically flat영어)하다고 한다.[26] 점근적으로 평탄한 시공간 의 '''사건 지평선'''은 의 인과적 과거 의 경계 이다.[26] 사건 지평선에 의해 둘러싸인 영역을 '''블랙홀'''이라고 한다.
일반 상대성 이론에서 블랙홀을 엄밀하게 정의하면 "정보 전달이 일방적인 사건의 지평선이 존재하고, 점근적으로 평탄하지 않은 시공간의 영역"이 된다.
블랙홀의 크기를 간단하게 평가하는 방법으로 슈바르츠실트 해가 나타내는 슈바르츠실트 반지름이 있다. 슈바르츠실트 해에서는 사건의 지평선이 슈바르츠실트 반지름과 일치한다. 따라서 사건의 지평선을 슈바르츠실트 면이라고 부르기도 한다.
3. 블랙홀의 사건 지평선
사건의 지평선은 빛의 속도로 움직이는 입자조차도 시공간의 무한대로 탈출할 수 없는 구역의 경계를 의미한다. 점근적으로 평탄한 시공간 에서 사건의 지평선은 (영벡터 미래 등각 무한)의 인과적 과거 의 경계 로 정의된다.[26] 이 경계면으로 둘러싸인 영역을 블랙홀이라고 부른다.
일반 상대성 이론에서 블랙홀은 주변의 물질이나 빛이 탈출할 수 없을 정도로 매우 밀도가 높은 천체이다. 흔히 탈출 속도가 광속보다 큰 경계로 묘사되지만, 더 정확하게는 사건의 지평선 내부의 모든 광선 경로(빛이 이동할 수 있는 경로)가 블랙홀 안쪽으로 휘어져 있어 탈출이 불가능하다는 것이다.
블랙홀 사건의 지평선에 대해 흔히 오해하는 부분은 블랙홀이 주변 물질을 "흡입"한다는 생각이다. 하지만 블랙홀은 다른 중력체와 마찬가지로 중력 범위 내에 들어온 물질을 포획하거나 통합할 뿐이다. 또한, 멀리 떨어진 관찰자는 물질이 사건의 지평선에 도달하는 것을 실제로 볼 수 없다. 대신 물체는 점점 느리게 움직이는 것처럼 보이고, 물체에서 방출되는 빛은 점점 더 붉은색으로 편이된다.
블랙홀 사건의 지평선은 미래의 원인에 의해 결정된다는 점에서 목적론적이다.[15][16][17] 즉, 사건의 지평선이 존재하는지 여부를 확인하려면 우주의 전체 역사와 무한한 미래까지 알아야 하는데, 이는 현실적으로 불가능하다.[18][19]
3. 1. 슈바르츠실트 반지름
슈바르츠실트 반지름에서의 표면은 이 반지름 내에 맞는 비회전체에서 사건의 지평선 역할을 한다(하지만 회전하는 블랙홀은 약간 다르게 작동한다). 물체의 슈바르츠실트 반지름은 질량에 비례한다. 이론적으로는 임의의 양의 물질이 해당 슈바르츠실트 반지름 내에 맞는 공간으로 압축되면 블랙홀이 된다. 태양의 질량의 경우 이 반지름은 약 3km이고, 지구의 경우 약 9mm이다. 그러나 실제로 지구도 태양도 전자 축퇴 압력과 중성자 축퇴 압력을 극복하는 데 필요한 질량(따라서 필요한 중력)을 가지고 있지 않다. 별이 이러한 압력 이상으로 붕괴하는 데 필요한 최소 질량은 약 3개의 태양 질량인 톨먼-오펜하이머-볼코프 한계이다.기본 중력 붕괴 모델에 따르면,[14] 사건의 지평선은 블랙홀의 특이점 전에 형성된다. 만약 은하수 내의 모든 별이 서로 상대적인 거리를 유지하면서 점차 은하 중심을 향해 모인다면, 그들은 서로 충돌하기 전에 공동 슈바르츠실트 반지름 내로 모두 떨어질 것이다.[4]
블랙홀의 크기를 간단하게 평가하는 방법으로 슈바르츠실트 해가 나타내는 슈바르츠실트 반지름이 있다. 구면 대칭 · 진공 상태의 블랙홀 해를 나타내는 슈바르츠실트 해에서는 사건의 지평선이 슈바르츠실트 반지름과 일치한다. 따라서 사건의 지평선을 슈바르츠실트 면이라고 부르기도 한다. 지구의 슈바르츠실트 반지름은 약 9mm이다. 또한 우리 은하(은하수)의 그것은 태양계 크기의 약 30배이다.
천체가 가진 질량에 따라 그 천체의 중심에서 사건의 지평선이 형성될 때까지의 거리가 다르다. 보통 천체의 반지름은 슈바르츠실트 반지름보다 커서 그 천체의 정보를 얻을 수 있다. 그러나 중력 붕괴로 수축하면, 그 천체의 전체 질량이 사건의 지평선보다 작은 영역으로 밀려 들어가 더 이상 정보를 얻을 수 없게 된다.
3. 2. 중력 붕괴와 사건 지평선
사건의 지평선은 빛의 속도로 움직이는 입자가 시공간의 무한대로 탈출할 수 없는 구역의 경계이다. 점근적으로 평탄한 시공간 의 사건 지평선은 (영벡터 미래 등각 무한)의 인과적 과거 의 경계 이다.[26] 사건 지평선에 의해 둘러싸인 영역을 블랙홀이라고 한다.블랙홀에서 멀리 떨어진 곳의 입자는 빛의 속도에 의해서만 제한될 뿐 어떤 방향으로든 움직일 수 있다. 하지만 블랙홀에 가까워질수록 시공간이 변형되기 시작하며, 일부 좌표계에서는 블랙홀을 향하는 경로가 멀어지는 경로보다 많아진다. 사건의 지평선 내부에서는 모든 미래 시간 경과가 입자를 블랙홀 중심에 더 가깝게 만들며, 입자가 어떤 방향으로 이동하든 탈출하는 것은 불가능하다.[10][11][12][13]
| 상황 | 설명 |
|---|---|
| 블랙홀에서 먼 곳 | 입자는 빛의 속도에 의해서만 제한되며, 어떤 방향으로든 움직일 수 있다. |
| 블랙홀 근처 | 시공간이 변형되기 시작. 일부 좌표계에서 블랙홀을 향하는 경로가 멀어지는 경로보다 많아짐. |
| 사건의 지평선 내부 | 모든 미래 시간 경과가 입자를 블랙홀 중심으로 이동시킴. 어떤 방향으로도 탈출 불가능. |
일반 상대성 이론에서 블랙홀은 주변의 물질이나 복사가 탈출할 수 없을 정도로 밀도가 높은 천체이다. 탈출 속도가 광속보다 큰 경계로 묘사되기도 하지만, 더 정확하게는 지평선 내의 모든 광선 경로가 블랙홀 안으로 더 깊이 떨어지도록 왜곡된다는 것이다.
슈바르츠실트 반지름에서의 표면은 이 반지름 내에 맞는 비회전체에서 사건의 지평선 역할을 한다. 물체의 슈바르츠실트 반지름은 질량에 비례한다. 태양의 경우 이 반지름은 약 3km이고, 지구의 경우 약 9mm이다. 별이 중성자 축퇴 압력을 극복하고 붕괴하는 데 필요한 최소 질량은 톨먼-오펜하이머-볼코프 한계인 약 3개의 태양 질량이다.
기본 중력 붕괴 모델에 따르면,[14] 사건의 지평선은 블랙홀의 특이점 전에 형성된다. 은하수 내의 모든 별이 점차 은하 중심을 향해 모인다면, 서로 충돌하기 전에 공동 슈바르츠실트 반지름 내로 모두 떨어질 것이다.[4]
블랙홀 사건의 지평선은 목적론적인 특성을 지닌다.[15][16][17] 즉, 사건의 지평선 존재 여부를 결정하기 위해서는 우주의 전체 역사를 알아야 하지만, 이는 현실적으로 불가능하다.[18][19]
3. 3. 사건 지평선의 특이성
사건 지평선은 빛의 속도로 움직이는 입자가 시공간의 무한대로 탈출할 수 없는 구역의 경계이다. 점근적으로 평탄한 시공간 의 사건 지평선은 의 인과적 과거 의 경계 이다.[26] 사건 지평선에 의해 둘러싸인 영역을 블랙홀이라고 한다. 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳에서 입자는 어떤 방향으로든 움직일 수 있으며, 속도는 빛의 속도에 의해서만 제한된다. |
 블랙홀에 더 가까워지면 시공간이 변형되기 시작한다. |
 사건의 지평선 내부에서는 모든 미래 시간 경과가 입자를 블랙홀 중심에 더 가깝게 만든다. 입자가 어떤 방향으로 이동하든 탈출하는 것은 불가능하다. |
일반 상대성 이론에서 블랙홀은 근처의 물질이나 복사가 탈출할 수 없을 정도로 밀도가 높은 천체이다. 이 지평선 내에서 모든 광선 경로와 입자의 전방 광원뿔 내의 모든 경로는 구멍 안으로 더 깊이 떨어지도록 왜곡된다. 입자가 지평선 내부에 들어가면 구멍 안으로 이동하는 것은 시간 속으로 앞으로 이동하는 것만큼 불가피하다.[10][11][12][13]
슈바르츠실트 반지름에서의 표면은 이 반지름 내에 맞는 비회전체에서 사건의 지평선 역할을 한다. 물체의 슈바르츠실트 반지름은 질량에 비례한다. 태양의 질량의 경우 이 반지름은 약 3km이고, 지구의 경우 약 9mm이다. 별이 중성자 축퇴 압력을 극복하고 붕괴하는 데 필요한 최소 질량은 톨먼-오펜하이머-볼코프 한계인 약 3개의 태양 질량이다.
기본 중력 붕괴 모델에 따르면,[14] 사건의 지평선은 블랙홀의 특이점 전에 형성된다.
블랙홀 사건의 지평선은 목적론적이다.[15][16][17] 시공간의 유한 크기 영역 내에서, 유한 시간 간격 내에서 수행될 수 있는 실험 및/또는 측정은 사건의 지평선이 존재하는지 여부에 대한 답을 주지 않는다.[18][19] 사건의 지평선의 순전히 이론적인 특성 때문에, 이동하는 물체는 반드시 이상한 영향을 경험하지 않으며, 실제로 계산된 경계를 유한한 양의 고유 시간 내에 통과한다.[20]
일반 상대성 이론에서 블랙홀을 엄밀하게 정의하면 "정보 전달이 일방적인 사건의 지평선이 존재하고, 점근적으로 평탄하지 않은 시공간의 영역"이 된다. 슈바르츠실트 해에서는 사건의 지평선이 슈바르츠실트 반지름과 일치한다. 따라서 사건의 지평선을 슈바르츠실트 면이라고 부르기도 한다.
4. 우주의 사건 지평선
우주의 사건 지평선은 관측 가능한 우주에서 현재 방출된 빛이 미래에 관측자에게 도달할 수 있는 가장 큰 공변 거리를 의미한다. 이는 과거에 방출된 빛이 관측자에게 도달할 수 있는 가장 큰 공변 거리를 나타내는 입자 지평선과는 다른 개념이다.
일반적으로 우주는 팽창하고 있으며, 거리가 멀어질수록 지구로부터 멀어지는 속도가 빨라진다. 어느 거리 이상에서는 빛의 속도보다 더 빠르게 멀어지는데, 이 거리를 허블 거리라고 한다.[24] 지구로 향하는 빛이 항상 빛의 속도 이상으로 멀어지는 공간에 있다면, 그 빛은 지구에 영원히 도달할 수 없다. 이때 빛이 도달하는 한계의 시공간 면을 '''우주의 사건 지평선'''이라고 한다.
하지만 현재 관측되는 천체 중에는 빛의 속도를 넘어 지구에서 멀어지고 있는 것도 있다. 이러한 천체가 관측 가능한 이유는, 천체에서 방출된 빛이 빛의 속도 이상으로 멀어지는 공간에서 벗어나 점차 지구로부터의 후퇴 속도가 완만한 공간으로 들어가기 때문이다. 따라서 "지구로부터 빛의 속도로 멀어지는 공간"이 곧 우주의 지평선은 아니다. 적색 편이 Z값이 1.7 정도인 천체는, 지금 지구에서 관측되는 빛을 방출했을 때 정확히 빛의 속도로 멀어지고 있었던 것이므로, 이보다 적색 편이가 큰 천체는 과거에 빛보다 빠른 속도로 지구에서 멀어지고 있었다는 의미가 된다.
4. 1. 입자 지평선
우주론에서 입자 지평선은 주어진 시간에 ''과거''에 방출된 빛이 관측자에게 도달할 수 있는 가장 큰 공변 거리를 나타낸다. 이 거리를 넘어서 발생한 사건은, 우주가 시작될 때 방출되었다 하더라도 빛이 우리의 위치에 도달할 시간이 충분하지 않았다. 입자 지평선의 시간 경과에 따른 변화는 우주의 팽창의 특성에 따라 달라진다.[7][8]현재 지구에서 관측할 수 있는 가장 오래된 빛이 방출된 장소의 현재 위치를 광자의 '''입자 지평선'''이라고 한다. 현재 광자의 입자 지평선은 지구를 중심으로 하는 반경 약 450억 광년의 구의 표면이 되며, 이 구면의 반경은 빛의 속도의 약 3.5배의 속도로 커지고 있다. 우리가 지금 관측하고 있는 빛을 방출했을 때(우주의 재결합)에는 빛의 속도의 약 60배나 되는 속도로 멀어지고 있었다. 광자 이외의 입자에 의한 입자 지평선은 광자의 그것보다 더 멀리 뻗어 있는 경우가 있다. 예를 들어, 중성미자에 의한 입자 지평선은 광자의 입자 지평선보다 크다고 생각된다. 왜냐하면 빛은 직진할 수 있게 되기까지 "우주의 재결합"을 기다려야 했지만, 중성미자는 그 이전에 직진하고 있다고 생각되기 때문이다.[24]
또한, 우리가 속한 우주는 광자를 포함한 전자기파의 관측에 의해 관여할 수 있는 공간의 한계를 나타내는 광자의 입자 지평선을 넘어, 훨씬 광대하게 퍼져 있다고 생각된다.
4. 2. 우주론적 모델과 사건 지평선
우주론에서 관측 가능한 우주의 사건의 지평선은 ''현재'' 방출된 빛이 미래에 관측자에게 도달할 수 있는 가장 큰 공변 거리이다. 이는 주어진 시간에 ''과거''에 방출된 빛이 관측자에게 도달할 수 있는 가장 큰 공변 거리를 나타내는 입자 지평선의 개념과는 다르다. 그 거리를 넘어서 발생한 사건의 경우, 우주가 시작될 때 방출되었다 하더라도 빛이 우리의 위치에 도달할 시간이 충분하지 않았다. 입자 지평선의 시간 경과에 따른 변화는 우주의 팽창의 특성에 따라 달라진다. 만약 팽창이 특정 특성을 갖는다면, 관측자가 그 지역에서 오는 빛을 아무리 오래 기다려도 우주의 일부는 결코 관측할 수 없을 것이다. 사건이 관측될 수 없는 경계를 사건의 지평선이라고 하며, 이는 입자 지평선의 최대 범위를 나타낸다.우주에 입자 지평선이 존재하는지 여부를 결정하는 기준은 다음과 같다. 공변 거리 ''dp''를 다음과 같이 정의한다.
:
이 방정식에서, ''a''는 척도 인자, ''c''는 빛의 속도, ''t''0는 우주의 나이이다. 만약 → ∞ (즉, 임의로 멀리 떨어진 지점이 관측될 수 있다면), 사건의 지평선은 존재하지 않는다. 만약 ≠ ∞, 지평선이 존재한다.
사건의 지평선이 없는 우주론적 모형의 예로는 물질 또는 복사가 지배하는 우주가 있다. 사건의 지평선이 있는 우주론적 모형의 예로는 우주 상수가 지배하는 우주(드 시터 우주)가 있다.
FLRW 우주론적 모형에 대한 논문에서 우주를 비상호작용 성분으로 구성된 것으로 근사화하여, 각각 완전 유체인 경우, 우주론적 사건 및 입자 지평선의 속도 계산이 제시되었다.[7][8]
우주의 지평선은 관측 가능한 가장 먼 우주의 공간 또는 시공간으로, 관측상의 "우주의 끝"이다. 일반적으로 우주는 팽창하고 있으며, 거리가 멀어질수록 지구로부터의 후퇴 속도(우주론적 고유 거리의 변화량을 우주 시간으로 미분한 값)가 빨라, 어느 거리(허블 거리) 이상은 빛의 속도 이상으로 멀어진다.[24] 지구로 향하는 빛이 항상 빛의 속도 이상으로 멀어지는 공간에 머무른다는 조건하에서는, 그 빛은 지구에 영원히 도달하지 못한다. 이 때 빛이 도달하는 한계의 시공간 면을 '''우주의 사건 지평선'''이라고 한다. 사건 지평선은 우리가 관측할 수 있는 개개의 천체가 어느 시대의 모습까지 관측할 수 있는지를 나타낸다.
현재 관측되는 천체 중에는, 빛의 속도를 넘어 지구에서 멀어지고 있는 것도 존재한다. 이러한 천체가 관측 가능한 것은, 천체에서 방출된 빛이 빛의 속도 이상으로 멀어지는 공간에서 벗어나 점차 지구로부터의 후퇴 속도가 완만한 공간으로 들어가기 때문이며, "지구로부터 빛의 속도로 멀어지는 공간 = 우주의 지평선"은 아니다. 적색 편이 Z의 값이 1.7 정도의 천체는, 지금 지구에서 관측되는 빛을 방출했을 때 정확히 빛의 속도로 멀어지고 있었으므로, 이것보다 적색 편이가 큰 천체는 초광속으로 지구에서 멀어지고 있었던 셈이다. 그러한 천체는 이미 1000개 정도 관측되었다.
또한, 현재 지구에서 관측할 수 있는 가장 오래된 빛이 방출된 장소의, 현재 위치를 광자의 '''입자 지평선'''이라고 한다. 현재의 광자의 입자 지평선은 지구를 중심으로 하는 반경 약 450억 광년의 구의 표면이 되며, 이 구면의 반경은 빛의 속도의 약 3.5배의 속도로 커지며, 우리가 지금 관측하고 있는 빛을 방출했을 때(우주의 재결합)에는 빛의 속도의 약 60배나 되는 속도로 멀어지고 있었다. 광자 이외의 입자에 의한 입자 지평선은 광자의 그것보다 더 멀리 뻗어 있는 경우가 있다. 예를 들어, 중성미자에 의한 입자 지평선은 광자의 입자 지평선보다 크다고 생각된다. 왜냐하면 빛은 직진할 수 있게 되기까지 "우주의 재결합"을 기다려야 했지만, 중성미자는 그 이전에 직진하고 있다고 생각되기 때문이다.
또한, 우리가 속한 우주는 광자를 포함한 전자기파의 관측에 의해 관여할 수 있는 공간의 한계를 나타내는 광자의 입자 지평선을 넘어, 훨씬 광대하게 퍼져 있다고 생각된다.
5. 가속 운동과 겉보기 지평선
쌍곡선 운동 (상대성 이론)
입자가 중력장이 없는 비팽창 우주에서 일정한 속도로 움직인다면, 해당 우주에서 발생하는 모든 사건은 결국 입자에 의해 관측될 수 있다. 왜냐하면 이러한 사건의 전방 광원뿔이 입자의 세계선과 교차하기 때문이다. 그러나 입자가 가속되는 경우에는 겉보기 지평선이 발생하여 사건 관측이 불가능해진다.
이러한 상황은 현실에서 근사적으로 발생할 수 있지만 (입자 가속기 등), 진정한 사건의 지평선은 입자가 무한정 가속되어야 하므로 존재하지 않는다. 등가 원리에 따르면 가속 운동하는 계에서는 중력이 발생하고 사건의 지평선이 생기는데, 1G (9.8m2)로 가속하는 계에서는 후방 약 1광년에 평면상의 지평면이 발생한다. 하지만 이 지평면은 가속 운동에 의한 일시적인 현상이며, 가속이 멈추면 사라진다.
5. 1. 가속 입자와 겉보기 지평선
입자가 중력장이 없는 비팽창 우주에서 일정한 속도로 움직인다면, 해당 우주에서 발생하는 모든 사건은 결국 입자에 의해 관측될 수 있다. 왜냐하면 이러한 사건의 전방 광원뿔이 입자의 세계선과 교차하기 때문이다. 반면에, 입자가 가속되고 있다면, 어떤 상황에서는 어떤 사건의 광원뿔이 입자의 세계선과 절대 교차하지 않는다. 이러한 조건 하에서, 겉보기 지평선이 입자 (가속)의 기준틀에 존재하며, 사건이 관측 불가능한 경계를 나타낸다.예를 들어, 이것은 균일하게 가속되는 입자에서 발생한다. 이 상황의 시공간 도표는 오른쪽 그림과 같다. 입자가 가속됨에 따라, 원래 기준틀에 대해 빛의 속도에 접근하지만, 절대 도달하지 못한다. 시공간 도표에서, 그 경로는 쌍곡선이며, 이는 45도 선 (광선의 경로)에 점근선적으로 접근한다. 광원뿔의 가장자리가 이 점근선이거나 이 점근선보다 더 멀리 있는 사건은 가속 입자에 의해 절대 관측될 수 없다. 입자의 기준틀에서, 신호가 탈출할 수 없는 경계 (겉보기 지평선)가 그 뒤에 있다. 이 경계까지의 거리는 로 주어지며, 여기서 는 입자의 일정한 고유 가속도이다.
이러한 유형의 상황에 대한 근사치는 현실 세계에서 발생할 수 있지만 (입자 가속기에서), 진정한 사건의 지평선은 절대 존재하지 않는다. 왜냐하면, 이것은 입자가 무한정 가속되어야 하기 때문이다 (임의로 많은 양의 에너지와 임의로 큰 장치가 필요하다).
등가 원리에 따라 가속 운동하는 계에서 보면 중력이 발생하고, 사건의 지평선이 생긴다. 1G (9.8m2)로 가속하는 계에서 보면, 후방 약 1광년에 평면상의 지평면이 발생한다.
하지만 이 지평면은 가속 운동에 의한 일시적인 것이며, 가속이 멈추면 소멸한다.
6. 사건 지평선과의 상호작용
균일하게 가속하는 관찰자가 빈 공간에서 감지하는 지평선의 경우, 주변 환경의 움직임과 관계없이 관찰자로부터 고정된 거리에 있는 것처럼 보인다. 관찰자의 가속도 변화에 따라 지평선이 움직이거나, 심지어 사건의 지평선이 존재하지 않을 수도 있다. 관찰자는 결코 지평선에 닿을 수 없으며, 지평선이 있던 위치를 지나갈 수도 없다. 드 시터 우주의 경우, 지평선은 비가속 관찰자에게 항상 고정된 거리에 있는 것처럼 보이며, 가속하는 관찰자조차도 지평선에 닿을 수 없다.
사건의 지평선, 특히 블랙홀 사건의 지평선에 대한 일반적인 오해는 접근하는 물체를 파괴하는 불변의 표면이라는 것이다. 그러나 실제로는 모든 사건의 지평선이 관찰자로부터 어느 정도 거리에 있는 것처럼 보이며, 사건의 지평선으로 보내진 물체는 발신 관찰자의 관점에서 절대 지평선을 넘는 것처럼 보이지 않는다. 이는 지평선을 통과하는 사건의 광원뿔이 관찰자의 세계선과 교차하지 않기 때문이다. 지평선 근처의 물체가 관찰자에 대해 정지 상태를 유지하려면 무한히 커지는 힘을 가해야 한다.
블랙홀 주변의 경우, 멀리 떨어진 물체에 대해 정지된 관찰자들은 모두 지평선의 위치에 동의한다. 밧줄(또는 막대)을 이용해 관찰자를 블랙홀로 내리는 것은 불가능한데, 이는 지평선까지의 고유 길이가 유한하여 필요한 밧줄의 길이도 유한하고,[21] 지평선에 가까워질수록 밧줄에 작용하는 고유 가속도(G-force)가 무한대에 접근하여 밧줄이 찢어지기 때문이다. 밧줄을 빠르게 내리면 밧줄 끝의 관찰자는 사건의 지평선에 닿거나 넘어갈 수 있지만, 밧줄을 다시 당기는 것은 불가능하다. 밧줄을 팽팽하게 당기면 밧줄에 가해지는 힘이 사건의 지평선에 가까워질수록 한계 없이 증가하여 결국 끊어지기 때문이다. 또한 밧줄의 끊어짐은 사건의 지평선이 아닌, 다른 관찰자가 볼 수 있는 지점에서 발생해야 한다.
블랙홀 사건의 지평선을 통과하는 관찰자는 그 순간 특별한 것을 보거나 느끼지 못할 수 있다. 시각적으로는 겉보기 지평선을 특이점을 둘러싼 검은 영역으로 인식한다.[22] 조석력의 증가는 블랙홀의 질량에 따라 국소적으로 눈에 띄는 효과이다. 현실적인 항성 블랙홀에서는 스파게티화가 초기에 발생하여 조석력이 사건의 지평선 훨씬 전에 물질을 찢어 버린다. 그러나 은하 중심에서 발견되는 초대질량 블랙홀에서는 스파게티화가 사건의 지평선 내부에서 발생한다. 인간 우주 비행사는 약 10,000 태양 질량 이상의 질량을 가진 블랙홀에서만 사건의 지평선을 통과하여 생존할 수 있다.[23]
6. 1. 블랙홀 사건 지평선과의 상호작용
블랙홀의 사건의 지평선은 일반 상대성 이론에서 유래된 개념으로, 빛을 포함한 어떤 물질이나 복사도 탈출할 수 없는 경계를 의미한다. 이 지평선 내에서는 모든 광선 경로가 왜곡되어 블랙홀 안으로 더 깊이 떨어지게 된다. 입자가 사건의 지평선 내부에 들어가면, 블랙홀 중심으로 이동하는 것은 시간 속으로 앞으로 이동하는 것만큼 불가피하다.[10][11][12][13]
비회전체의 경우, 슈바르츠실트 반지름 표면이 사건의 지평선 역할을 한다. 이 반지름은 질량에 비례하며, 이론적으로 충분히 압축된 물질은 블랙홀이 될 수 있다. 예를 들어, 태양 질량의 경우 이 반지름은 약 3km이고, 지구의 경우 약 9mm이다.[4]
블랙홀 사건의 지평선은 미래 원인에 의해 결정된다는 점에서 목적론적인 특성을 갖는다.[15][16][17] 즉, 사건의 지평선의 존재 여부는 우주의 전체 역사를 알아야만 결정될 수 있다.
사건의 지평선에 대한 흔한 오해 중 하나는 접근하는 물체를 파괴하는 불변의 표면이라는 것이다. 실제로, 사건의 지평선으로 보내진 물체는 발신 관찰자의 관점에서 절대 지평선을 넘는 것처럼 보이지 않는다. 지평선 근처의 물체가 정지 상태를 유지하려면 무한히 큰 힘이 필요하다.
블랙홀 주변의 지평선 위치에 대해 멀리 떨어진 관찰자들은 모두 동의한다. 밧줄을 이용해 관찰자를 블랙홀로 내리는 것은 불가능한데, 이는 지평선에 가까워질수록 밧줄에 가해지는 힘이 무한대에 접근하여 밧줄이 찢어지기 때문이다.
블랙홀 사건의 지평선을 통과하는 관찰자는 그 순간 특별한 것을 느끼지 못할 수 있다. 시각적으로는 겉보기 지평선을 특이점을 둘러싼 검은 영역으로 인식한다.[22] 조석력은 블랙홀의 질량에 따라 달라지는데, 항성 블랙홀에서는 사건의 지평선 훨씬 전에 스파게티화가 발생하지만, 초대질량 블랙홀에서는 사건의 지평선 내부에서 발생한다. 인간은 약 10,000 태양 질량 이상의 블랙홀에서만 사건의 지평선을 통과하여 생존할 수 있다.[23]
일반 상대성 이론에서 블랙홀은 "정보 전달이 일방적인 사건의 지평선이 존재하고, 점근적으로 평탄하지 않은 시공간의 영역"으로 정의된다. 겉보기 지평선 개념은 수치 시뮬레이션 등에서 사건의 지평선을 특정하기 어려울 때 자주 사용된다.
슈바르츠실트 해는 구면 대칭 · 진공 상태의 블랙홀 해를 나타내며, 이 경우 사건의 지평선은 슈바르츠실트 반지름과 일치한다. 이를 슈바르츠실트 면이라고도 한다.
7. 일반 상대성 이론을 넘어서
일반 상대성 이론에서 제공하는 국소 블랙홀 사건의 지평선에 대한 설명은 불완전하고 논란의 여지가 있는 것으로 여겨진다.[3][4] 따라서 상대성이론과 양자역학을 모두 포함하는 더 포괄적인 우주 작동 방식에 대한 이해를 통해 국소 사건의 지평선 발생 조건을 모델링할 필요가 있으며, 이 경우 국소 사건의 지평선은 일반 상대성 이론만으로 예측된 것과는 다른 특성을 가질 것으로 예상된다.
양자 중력 이론은 중력에 의해 생성된 국소 사건의 지평선에 대한 완전한 설명을 제공할 수 있을 것으로 예상된다. 그러한 후보 이론 중 하나는 M-이론이며, 또 다른 후보 이론은 루프 양자 중력이다.
7. 1. 호킹 복사와 언루 효과
우주적 사건의 지평선은 일반적으로 실제 사건의 지평선으로 받아들여지는 반면, 일반 상대성 이론에서 제공하는 국소 블랙홀 사건의 지평선에 대한 설명은 불완전하고 논란의 여지가 있는 것으로 여겨진다.[3][4] 국소 사건의 지평선이 발생하는 조건을 상대성이론과 양자역학을 모두 포함하는 우주의 작동 방식에 대한 보다 포괄적인 그림을 사용하여 모델링할 때, 국소 사건의 지평선은 일반 상대성 이론만 사용하여 예측된 것과는 다른 특성을 가질 것으로 예상된다.현재, 호킹 복사 메커니즘에 의해 양자 효과의 주요 영향은 사건의 지평선이 온도를 가지며 따라서 복사를 방출하는 것으로 예상된다. 블랙홀의 경우, 이는 호킹 복사로 나타나며, 블랙홀이 어떻게 온도를 가지는가에 대한 더 큰 문제는 블랙홀 열역학의 일부이다. 가속 입자의 경우, 이는 입자 주변의 공간이 물질과 복사로 채워진 것처럼 보이게 하는 언루 효과로 나타난다.
논란이 많은 블랙홀 파이어월 가설에 따르면, 블랙홀로 떨어지는 물질은 사건의 지평선에서 고에너지 "파이어월"에 의해 재로 변할 것이다.
대안은 블랙홀 상보성 원리에 의해 제공되는데, 이에 따르면, 멀리 떨어진 관찰자의 도표에서, 떨어지는 물질은 지평선에서 열화되어 호킹 복사로 재방출되는 반면, 떨어지는 관찰자의 도표에서 물질은 내부 영역을 통과하여 방해받지 않고 특이점에서 파괴된다. 이 가설은 주어진 관찰자에 따라 정보의 단일 사본이 있기 때문에 복제 불가능 정리를 위반하지 않는다. 블랙홀 상보성은 실제로 끈 이론의 척도 법칙이 사건의 지평선에 접근함에 따라 제안되었으며, 슈바르츠실트 도표에서 끈이 지평선을 덮도록 늘어나 플랑크 길이 두께의 막으로 열화됨을 시사한다.
중력에 의해 생성된 국소 사건의 지평선에 대한 완전한 설명은 최소한 양자 중력 이론을 필요로 할 것으로 예상된다. 그러한 후보 이론 중 하나는 M-이론이다. 또 다른 후보 이론은 루프 양자 중력이다.
7. 2. 블랙홀 파이어월 가설과 상보성 원리
우주적 사건의 지평선은 일반적으로 실제 사건의 지평선으로 받아들여지는 반면, 일반 상대성 이론에서 제공하는 국소 블랙홀 사건의 지평선에 대한 설명은 불완전하고 논란의 여지가 있는 것으로 여겨진다.[3][4] 국소 사건의 지평선이 발생하는 조건을 상대성이론과 양자역학을 모두 포함하는 우주의 작동 방식에 대한 보다 포괄적인 그림을 사용하여 모델링할 때, 국소 사건의 지평선은 일반 상대성 이론만 사용하여 예측된 것과는 다른 특성을 가질 것으로 예상된다.현재, 호킹 복사 메커니즘에 의해 양자 효과의 주요 영향은 사건의 지평선이 온도를 가지며 따라서 복사를 방출하는 것으로 예상된다. 블랙홀의 경우, 이는 호킹 복사로 나타나며, 블랙홀이 어떻게 온도를 가지는가에 대한 더 큰 문제는 블랙홀 열역학의 일부이다. 가속 입자의 경우, 이는 입자 주변의 공간이 물질과 복사로 채워진 것처럼 보이게 하는 언루 효과로 나타난다.
논란이 많은 블랙홀 파이어월 가설에 따르면, 블랙홀로 떨어지는 물질은 사건의 지평선에서 고에너지 "파이어월"에 의해 재로 변할 것이다.
대안은 블랙홀 상보성 원리에 의해 제공되는데, 이에 따르면, 멀리 떨어진 관찰자의 도표에서, 떨어지는 물질은 지평선에서 열화되어 호킹 복사로 재방출되는 반면, 떨어지는 관찰자의 도표에서 물질은 내부 영역을 통과하여 방해받지 않고 특이점에서 파괴된다. 이 가설은 주어진 관찰자에 따라 정보의 단일 사본이 있기 때문에 복제 불가능 정리를 위반하지 않는다. 블랙홀 상보성은 실제로 끈 이론의 척도 법칙이 사건의 지평선에 접근함에 따라 제안되었으며, 슈바르츠실트 도표에서 끈이 지평선을 덮도록 늘어나 플랑크 길이 두께의 막으로 열화됨을 시사한다.
중력에 의해 생성된 국소 사건의 지평선에 대한 완전한 설명은 최소한 양자 중력 이론을 필요로 할 것으로 예상된다. 그러한 후보 이론 중 하나는 M-이론이다. 또 다른 후보 이론은 루프 양자 중력이다.
8. 이벤트 호라이즌 망원경
이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope)은 블랙홀의 주변을 관측하기 위해 여러 전파 망원경을 연결하여 하나의 큰 망원경 배열을 만드는 국제 협력 프로젝트이자 해당 망원경을 가리킨다.
참조
[1]
논문
Visual Horizons in World Models
1956-12-01
[2]
논문
VII. On the means of discovering the distance, magnitude, &c. of the fixed stars, in consequence of the diminution of the velocity of their light, in case such a diminution should be found to take place in any of them, and such other data should be procured from observations, as would be farther necessary for that purpose. By the Rev. John Michell, B.D. F.R.S. In a letter to Henry Cavendish, Esq. F.R.S. and A.S
The Royal Society
1784
[3]
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[4]
논문
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http://iopscience.io[...]
2012-12-21
[8]
논문
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http://iopscience.io[...]
2013-02-08
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harvnb
[10]
서적
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[11]
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[12]
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University of Chicago Press
[13]
서적
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Cambridge University Press
[14]
논문
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[15]
논문
Isolated and dynamical horizons and their applications
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논문
Trapped surfaces
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논문
Black holes and their horizons in semiclassical and modified theories of gravity
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논문
Physical observability of horizons
[19]
논문
Nomen non est omen: Why it is too soon to identify ultra-compact objects as black holes
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논문
Black Hole Paradoxes
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Journey into a Schwarzschild black hole
http://jila.colorado[...]
2020-06-28
[23]
서적
General Relativity: An introduction for physicists
https://books.google[...]
Cambridge University Press
2006
[24]
문서
宇宙の膨張は空間そのものの膨張であるため、光速を超えても相対性理論に反しない。空間の膨張は一般相対性理論の範疇であり、物体の運動が光速以上にならないのは特殊相対性理論の範疇における運動においてである。
[25]
문서
한국천문학회 편 천문학용어집 193쪽 우단 8째줄
[26]
서적
http://preposterousu[...]
2014-05-02
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