펜로즈 과정
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1. 개요
펜로즈 과정은 회전하는 블랙홀의 에너지를 추출하는 이론적인 방법이다. 블랙홀의 에르고스피어에서 음의 에너지를 가진 입자를 버리고, 남은 입자가 더 많은 에너지를 가지고 탈출하게 하는 방식으로 작동한다. 입자가 분열되지 않고 블랙홀에 흡수되는 경우 블랙홀의 회전 속도를 증가시킬 수도 있다. 펜로즈 과정은 블랙홀 열역학을 따르며, 반복하면 블랙홀의 회전이 멈춘다. 1969년 로저 펜로즈가 제안했으며, 2020년 음파를 이용하여 실험적으로 검증되었다. 자기력선을 이용해 에너지를 추출하는 방법도 연구되고 있으며, 미래 기술로 활용될 가능성이 있다.
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| 펜로즈 과정 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 에너지 추출 메커니즘 (가설) |
| 분야 | 블랙홀 물리학 |
| 제안자 | 로저 펜로즈 |
| 발표 년도 | 1969년 |
| 관련 개념 | 사건 지평선, 에르고스피어, 커 블랙홀 |
| 상세 내용 | |
| 과정 설명 | 회전하는 블랙홀 (커 블랙홀) 주변의 에르고스피어 영역에서 입자가 붕괴하여, 한 입자는 블랙홀로 들어가고 다른 입자는 에너지를 얻어 탈출하는 현상을 통해 블랙홀의 회전 에너지를 추출하는 가설적인 과정이다. |
| 에너지 추출 가능성 | 이론적으로 블랙홀의 질량-에너지의 최대 29%까지 추출 가능하다. |
| 효율성 | 실제 천체물리학적 환경에서의 효율성은 불확실하다. |
| 관련 연구 | 엑스선, 감마선, 전자-양전자 쌍 생성 가능성에 대한 연구가 진행되었다. |
| 추가 정보 | |
| 비판 | 펜로즈 과정 자체는 열역학 제2법칙을 위반하지 않지만, 추출 가능한 에너지는 블랙홀의 질량에 비해 매우 적다는 비판이 있다. |
| 응용 가능성 | 펜로즈 과정은 퀘이사 및 활동 은하핵과 같은 고에너지 천체의 에너지원 메커니즘을 설명하는 데 사용될 수 있다. |
2. 펜로즈 과정의 원리
펜로즈 과정은 1969년에 로저 펜로즈가 제안한 이론으로, 회전하는 블랙홀에서 에너지를 추출하는 방법이다. 이 과정은 블랙홀의 에르고스피어와 사건의 지평선 사이에서 쓰레기를 투기하고, 쓰레기를 블랙홀에 버린 후 용기만 회수하는 방식으로 이루어진다. 이 때, 질량-에너지 등가 원리에 따라 "쓰레기의 질량 + 블랙홀의 감소한 질량"에 해당하는 에너지가 용기를 가속시키기 때문에, 이 과정에서 전력을 얻을 수 있다.[9]
에르고스피어는 회전하는 커 시공간에서 나타나는 영역으로, 내부의 입자는 회전하는 시공간에 의해 강제로 가속된다. 이 영역에서는 로켓 분사 등 어떤 에너지를 사용해도 물체가 정지 상태로 있을 수 없다. 이러한 이유로 에르고스피어의 바깥쪽 경계는 "정지 한계(static limit)"라고 불린다. 이는 블랙홀의 자전에 의해 시공간이 영향을 받기 때문이며, 이를 관성계 끌림 또는 "시공간 끌림"이라고 한다.
펜로즈 과정에서 쓰레기를 담은 용기를 에르고스피어에 투입하고, 용기는 무한대까지 탈출할 수 있을 정도의 운동량을 유지하며, 버려진 쓰레기가 사건의 지평선 너머로 떨어지도록 한다. 이 경우, 용기는 원래 에르고스피어에 들어갔을 때보다 더 많은 에너지를 가지게 된다. 이 과정을 통해 블랙홀은 각운동량을 잃게 되고, 이 각운동량에 해당하는 에너지가 블랙홀에서 추출된다.
펜로즈 과정은 블랙홀 열역학을 따르며, 이 과정을 반복하면 블랙홀은 결국 각운동량을 모두 잃고 자전을 멈추게 된다. 펜로즈 과정으로 추출할 수 있는 에너지의 상한은 계산된 바 있다.[10]
2. 1. 작용권 (에르고스피어)
야코프 젤도비치는 펜로즈 과정이 제안된 지 2년 뒤인 1971년에, 빠르게 회전하는 원통을 이용해 가상의 작용권(에르고스피어)을 만들고 특정 각도로 빛을 쏘아 에너지를 추출할 수 있는지 확인하여 펜로즈 과정을 실증하려 했다. 그러나 커 블랙홀과 유사한 환경을 구현하려면 초당 10억 회 회전이 필요했기에 실험은 진행되지 못했다.[16]2020년, 다니엘 파치오 영국 글래스고대 물리 및 천문학부 교수팀은 회전하는 흡음기로 커 블랙홀과 유사한 환경을 조성하고 음파를 이용해 펜로즈 과정을 실증했다.[17] 미국 컬럼비아 대학교와 칠레 아돌포이바녜스대 공동연구팀은 자기장이 끊어지고 이어지는 과정에서 플라스마 입자가 두 조각으로 나뉘어 각각 블랙홀 내부와 외부로 가속될 수 있다고 발표했다.[18] 작용권에서 자기력선이 끊어지고 이어짐을 반복하는데, 자기력선이 다시 이어질 때 내부로 들어가는 플라스마 입자에 음의 에너지를 부여하여 외부로 튕겨 나오는 입자는 거의 빛의 속력에 달하는 속도로 튕겨 나온다. 연구팀은 이 방법을 통해 150% 효율로 에너지를 얻을 수 있다고 계산했다.[19]
에르고스피어의 바깥 표면은 블랙홀 회전 반대 방향으로 움직이는 빛이 외부 관찰자가 보기에 고정된 각 좌표에 머무는 표면이다. 질량이 있는 입자는 빛보다 느리게 움직여야 하므로, 필연적으로 블랙홀 회전에 따라 움직인다. 에르고스피어의 안쪽 경계는 사건의 지평선으로, 빛이 탈출할 수 없는 공간적 경계이다.
에르고스피어 내부에선 빛조차 블랙홀 회전을 따라갈 수 없으며, 정지된(외부 관점에서) 물체의 궤적은 시간과 같은(일반적인 물질이 가질) 또는 빛과 같은 것이 아닌 공간과 같은 것이 된다. 수학적으로, 계량 텐서의 구성 요소는 에르고스피어 내부에서 부호를 변경한다. 이를 통해 물질은 블랙홀 회전에 충분히 빠르게 반대 방향으로 움직이는 한(또는 외부 관점에서 충분한 정도로 끌려가는 것을 저항하는 한) 에르고스피어 내에서 음의 에너지를 가질 수 있다. 펜로즈 과정은 에르고스피어에 뛰어들어 음의 에너지를 갖는 물체를 버리고 이전보다 더 많은 에너지를 가지고 돌아옴으로써 이를 이용한다.
이러한 방식으로 회전 에너지가 블랙홀에서 추출되어 블랙홀이 더 낮은 회전 속도로 감소한다. 최대량의 에너지(투입된 물체의 질량당)는 블랙홀이 최대 속도로 회전하고, 물체가 사건의 지평선을 스치며, 앞으로 그리고 뒤로 움직이는 빛의 묶음으로 붕괴될 때 추출된다(첫 번째는 블랙홀에서 탈출하고, 두 번째는 내부로 떨어진다).[5]
부속 과정에서 블랙홀은 분열되지 않고 대신 전체 각 운동량을 블랙홀에 주는 입자를 투입하여 회전 속도를 높일 수 있다. 그러나 이것은 펜로즈 과정의 역 과정이 아닌데, 둘 다 물질을 블랙홀에 투입하여 블랙홀의 엔트로피를 증가시키기 때문이다.
에르고스피어는 내부의 입자가 회전하는 시공간에 의해 불가피하게 가속되는 커 시공간에서의 영역이며, 그 안에서는 로켓 분사 등의 어떠한 에너지를 사용해도 물체는 정지 상태가 될 수 없다. 이 때문에, 그 바깥쪽 경계는 "정지 한계(static limit)"라고 불린다. 이는 블랙홀의 자전에 시공간이 영향을 받기 때문이다("관성계 끌림" 또는 "시공간 끌림"이라고 한다).
에르고구의 바깥쪽 경계면은 에르고면(정지 한계)이라고 불리며, 이 면에서는 시공간의 끌림에 의해, 블랙홀의 자전 방향과 반대 방향으로 진행하는 빛이 외부의 관측자에게 정지한다(빛이 실제로 멈춰있는 것은 아니다. 이것은, 그곳에서의 시간의 흐름이 0이 되는 것처럼 보이는 것과 동의어). 질량을 가진 입자는 반드시 광속 미만으로 운동해야 하므로, 무한대에 있는 정지한 관측자에게서 보면, 질량을 가진 입자는 반드시 회전하는 것처럼 보인다. 시공간의 끌림을 포크가 꽂힌 시트에 비유하면, 포크가 회전함에 따라 시트는 끌려 회전한다. 즉, 중심 부분의 회전이 바깥쪽으로 전달되어, 광범위한 왜곡을 발생시킨다. 에르고면의 안쪽에 있는 사건의 지평선과 정지 경계 사이의 틈새 부분을 에르고구라고 한다.
이 에르고구 내부에서는, 시간은 각도가 되고 각도는 시간이 된다는 시간과 각 좌표의 의미가 역전된다. 왜냐하면, 시간적 좌표는 단일 방향만 가지고, 그리고 블랙홀과 함께 돌고 있는 입자는 단일 방향으로만 회전할 수 있기 때문이다. 이 기묘한 좌표 교환 때문에, 무한대 관측자에게서 보면, 입자의 에너지는 양수 또는 음수라고 생각할 수 있다.
입자 A가 커 블랙홀의 에르고구에 들어가, 입자 B와 C로 분열된 후, 입자 B가 에르고구를 탈출하는 경우, 에너지 보존 법칙이 음 에너지 영역에 대해서도 성립한다고 가정하면 C의 에너지가 음이 되므로, 결과적으로 B의 에너지는 원래 A가 가지고 있던 에너지보다 커진다.
이와 같이, 자전 에너지가 블랙홀로부터 빼내어지고, 블랙홀의 자전은 늦어진다. 빼내지는 에너지가 최대가 되는 것은, 분열이 사건의 지평선 바로 밖에서 일어나, 입자 C가 가능한 한 빠르게 역방향으로 회전하는 경우이다.
반대의 프로세스를 생각하면, 입자가 분열하지 않고, 블랙홀에 입자의 전 각운동량을 줌으로써, 블랙홀의 자전 속도가 올라간다는 것도 있을 수 있다.
2. 2. 에너지 추출 메커니즘
펜로즈 과정은 1969년에 제안되었으며, 2년 뒤인 1971년 이론 물리학자 야코프 젤도비치는 빠르게 회전하는 원통을 이용해 이 과정을 실험하려 했다. 그러나 초당 10억 회에 달하는 회전 속도가 필요했기 때문에 실험은 실제로 진행되지 못했다.[16]2020년, 다니엘 파치오 영국 글래스고대 물리 및 천문학부 교수팀은 회전하는 흡음기를 통해 커 블랙홀과 유사한 환경을 조성하고, 음파를 이용하여 펜로즈 과정을 실증하는 데 성공했다.[17]
한편, 미국 컬럼비아 대학교와 칠레 아돌포이바녜스대 공동연구팀은 자기장이 끊어지고 이어지는 과정에서 플라스마 입자가 두 조각으로 나뉘어 블랙홀 내부와 외부로 가속될 수 있다는 연구 결과를 발표했다.[18] 이들은 작용권에서 자기력선이 끊어지고 다시 이어질 때, 내부로 향하는 플라스마 입자에 음의 에너지를 부여하여 외부로 튕겨 나오는 입자가 거의 빛의 속력에 근접한 속도를 낼 수 있다고 설명했다. 연구팀은 이 방법을 통해 150%의 효율로 에너지를 추출할 수 있다고 계산했다.[19]
에르고스피어의 바깥 표면은 블랙홀의 회전과 반대 방향으로 움직이는 빛이 외부 관찰자에게는 고정된 위치에 머무르는 것처럼 보이는 표면이다. 질량을 가진 입자는 빛보다 느리게 움직여야 하므로, 필연적으로 블랙홀의 회전에 따라 움직이게 된다. 에르고스피어의 안쪽 경계는 사건의 지평선으로, 빛조차 탈출할 수 없는 공간적 경계를 의미한다.
에르고스피어 내부에서는 빛조차 블랙홀의 회전을 따라갈 수밖에 없으며, (외부 관점에서) 정지된 물체의 궤적은 시간과 같거나 빛과 같은 것이 아닌, 공간과 같은 성질을 띠게 된다. 이는 수학적으로 계량 텐서의 특정 구성 요소가 에르고스피어 내부에서 부호를 바꾸기 때문이다. 이러한 특성으로 인해, 물질은 블랙홀의 회전에 충분히 빠르게 반대 방향으로 움직이거나, 외부 관점에서 충분히 끌려가는 것에 저항함으로써 에르고스피어 내에서 음의 에너지를 가질 수 있다. 펜로즈 과정은 바로 이 점을 이용하여, 에르고스피어에 들어간 물체가 음의 에너지를 갖는 부분을 버리고, 이전보다 더 많은 에너지를 가지고 돌아오는 방식으로 에너지를 추출한다.
이 과정을 통해 회전 에너지는 블랙홀로부터 추출되고, 블랙홀의 회전 속도는 감소한다. 투입된 물체의 질량당 추출되는 에너지의 최대량은 블랙홀이 최대 속도로 회전하고, 물체가 사건의 지평선을 스치며, 앞뒤로 움직이는 빛의 묶음으로 붕괴될 때 발생한다. 이때, 한 묶음은 블랙홀에서 탈출하고, 다른 묶음은 내부로 떨어진다.[5]
블랙홀이 분열되지 않고, 대신 모든 각운동량을 블랙홀에 주는 입자를 투입하여 회전 속도를 높이는 과정도 생각할 수 있다. 그러나 이는 펜로즈 과정의 역과정은 아닌데, 두 경우 모두 물질을 블랙홀에 투입하여 블랙홀의 엔트로피를 증가시키기 때문이다.
1969년 펜로즈는 자전하는 블랙홀에 장치를 이용해 쓰레기를 투기하면 전력을 얻을 수 있다는 논문을 발표했다.[9] 그는 쓰레기를 용기에 담아 자전하는 블랙홀의 에르고스피어와 사건의 지평선 사이에 투입하고, 쓰레기는 블랙홀에 버리고 용기만 회수하면, 질량-에너지 등가 원리에 따라 "쓰레기의 질량 + 블랙홀의 감소한 질량"에 해당하는 에너지가 용기를 가속시키므로, 여기서 발전을 할 수 있다고 주장했다.
에르고스피어는 내부의 입자가 회전하는 시공간에 의해 필연적으로 가속되는 커 시공간 영역으로, 그 안에서는 로켓 분사 등 어떤 에너지를 사용해도 물체가 정지 상태를 유지할 수 없다. 이러한 이유로 에르고스피어의 바깥쪽 경계는 "정지 한계(static limit)"라고 불린다. 이는 블랙홀의 자전에 시공간이 영향을 받기 때문이며, 이를 관성계 끌림 또는 "시공간 끌림"이라고 한다. 쓰레기를 담은 용기를 에르고스피어에 투입하고, 용기가 무한대까지 탈출할 수 있을 만큼의 운동량을 유지하면서, 버려진 쓰레기가 사건의 지평선 너머로 떨어지도록 하면, 용기는 원래 에르고스피어에 들어갔을 때보다 더 많은 에너지를 가질 수 있다. 이 과정을 통해 블랙홀은 각운동량을 잃게 되고, 이 각운동량에 해당하는 에너지가 블랙홀에서 추출되는 것이다.
펜로즈 과정은 블랙홀 열역학을 따르며, 이 법칙에 따르면 이 과정을 반복하면 블랙홀은 결국 각운동량을 모두 잃고 자전을 멈추게 된다. 펜로즈 과정을 통해 추출할 수 있는 에너지의 상한은 계산된 바 있다.[10]
입자 A가 커 블랙홀의 에르고구에 들어가 입자 B와 C로 분열하고, 입자 B가 에르고구를 탈출하는 경우를 생각해보자. 에너지 보존 법칙이 음의 에너지 영역에서도 성립한다고 가정하면, C의 에너지가 음수가 되므로 결과적으로 B의 에너지는 원래 A가 가지고 있던 에너지보다 커지게 된다.
이처럼 블랙홀로부터 자전 에너지를 빼낼 수 있으며, 블랙홀의 자전은 느려진다. 에너지를 최대로 빼내려면 분열이 사건의 지평선 바로 밖에서 일어나고, 입자 C가 가능한 한 빠르게 역방향으로 회전해야 한다.
반대로, 입자가 분열하지 않고 블랙홀에 입자의 모든 각운동량을 주면 블랙홀의 자전 속도를 높일 수도 있다.
펜로즈 과정을 이용하면, 발전된 문명이 블랙홀 주위에 고정 구조물을 건설하고 그 위에 도시를 건설하여 에너지를 활용할 수 있을지도 모른다는 추측도 제기된다. 폐기물을 실은 셔틀을 블랙홀로 보내 에르고구에서 폐기물을 방출하고, 셔틀은 에너지를 얻어 도시로 돌아와 얻은 에너지를 사용하는 방식으로 블랙홀의 에너지를 이용할 수 있다는 것이다. (그러나 이 추측에서는 셔틀이 실제로 어떻게 에너지를 얻는지에 대한 구체적인 방법은 제시되지 않았다.)
3. 펜로즈 과정의 실증과 응용
펜로즈 과정은 1971년 야코프 젤도비치가 실험적으로 검증하려 했고, 2020년에는 음파를 이용해 실험적으로 증명되었다.[16][17] 자기장을 이용한 에너지 추출 방법도 연구되고 있다.[18][19]
3. 1. 실험적 검증
야코프 젤도비치는 1971년 펜로즈 과정이 제안된 지 2년 뒤, 빠르게 회전하는 원통에 특정 각도로 빛을 쏘아 에너지를 추출할 수 있는지 확인하여 펜로즈 과정을 간접적으로 증명하려 했다. 그러나 커 블랙홀과 유사한 환경을 구현하려면 초당 10억 회 회전이 필요했기 때문에 실험은 진행되지 못했다.[16]2020년 영국 글래스고대 물리 및 천문학부의 다니엘 파치오 교수팀은 회전하는 흡음기로 커 블랙홀과 유사한 환경을 만들고 음파를 이용하여 이 메커니즘을 실험적으로 증명하였다.[17]
3. 2. 자기력선을 이용한 에너지 추출
미국 컬럼비아 대학교와 칠레 아돌포이바녜스대 공동연구팀은 자기장이 끊어지고 이어지는 과정에서 플라스마 입자가 두 조각으로 나뉘어 각각 블랙홀 내부와 외부로 가속될 수 있다고 발표하였다.[18] 작용권에서 자기력선이 끊어지고 이어지는 것을 반복하고 있는데, 자기력선이 다시 이어질 때 내부로 들어가는 플라스마 입자에 음의 에너지를 부여하여 외부로 튕겨나오는 입자는 거의 빛의 속력에 달하는 속도로 튕겨 나온다. 연구팀의 계산 결과 이 방법을 이용하면 150%의 효율로 에너지를 얻을 수 있다고 하였다.[19]3. 3. 펜로즈 과정과 미래 기술
1969년 펜로즈는 자전하는 블랙홀에 장치를 이용하여 쓰레기를 투기하면 전력을 얻을 수 있다는 논문을 발표했다.[9] 이는 쓰레기를 용기에 담아 자전하는 블랙홀의 에르고스피어와 사건의 지평선 사이에 투입하고, 쓰레기를 블랙홀에 버리고 용기만을 회수하면, 질량-에너지 등가 원리에 따라 "쓰레기의 질량 + 블랙홀의 감소한 질량"에 해당하는 에너지가 용기를 가속시키기 때문에 여기서 발전을 할 수 있다는 것이었다.에르고스피어는 내부의 입자가 회전하는 시공간에 의해 불가피하게 가속되는 커 시공간에서의 영역이며, 그 안에서는 로켓 분사 등의 어떠한 에너지를 사용해도 물체는 정지 상태가 될 수 없다. 이 때문에, 그 바깥쪽 경계는 "정지 한계(static limit)"라고 불린다. 이는 블랙홀의 자전에 시공간이 영향을 받기 때문이다("관성계 끌림" 또는 "시공간 끌림"이라고 한다). 여기에 쓰레기를 담은 용기를 투입하고, 용기는 무한대까지 탈출할 수 있을 정도의 운동량을 유지하며, 버려진 쓰레기가 사건의 지평선 너머로 떨어지도록 하면, 용기는 원래 에르고스피어 안에 들어갔을 때보다 더 많은 에너지를 가지는 경우가 있다. 이 과정의 결과를 종합하면, 블랙홀은 각운동량을 잃게 되고, 이 각운동량에 해당하는 에너지가 블랙홀에서 추출된 셈이 된다.
펜로즈 과정은 블랙홀 열역학을 따른다. 이 법칙의 귀결로서, 이 프로세스를 여러 번 반복하면 블랙홀은 최종적으로 각운동량을 모두 잃고 자전을 멈추게 된다는 결론이 나온다. Demetrios Christodoulou의 계산에 의해, 펜로즈 과정으로 추출할 수 있는 에너지의 상한이 계산되었다.[10]
참조
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