작용권
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1. 개요
작용권은 블랙홀 주변의 시공간 영역으로, 블랙홀의 회전으로 인해 시공간이 끌려가는 특징을 갖는다. 존 휠러가 명명했으며, 블랙홀의 자전축에서 사건 지평선과 접하는 회전타원체 형태를 띤다. 작용권 내부에서는 시공간이 광속보다 빠르게 끌려가며, 이로 인해 음의 에너지가 존재하고 물체는 외부에서 정지된 상태로 관측될 수 없다. 작용권의 바깥 경계는 정지 한계로, 이 경계에서는 공간이 광속으로 끌려간다. 펜로즈 과정은 작용권에서 에너지를 추출하는 방법으로, 블랙홀의 회전 에너지를 이용하여 감마선 폭발과 같은 현상을 설명하는 데 활용된다. 작용권의 크기는 블랙홀의 질량과 각운동량에 비례하며, 극점에서 적도까지 타원체 모양을 갖는다.
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2. 역사와 어원
존 휠러가 이름붙였다. 영명 어고스피어/ergosphere영어는 일·작업을 뜻하는 에르곤/ἔργονgrc과 공을 뜻하는 스파이라/σφαῖραgrc에서 왔다.
작용권은 회전타원체 모양을 하고 있으며, 블랙홀의 자전축에서 사건 지평선과 접한다. 작용권에서의 시공은 블랙홀의 회전 방향으로 당겨진다. 내부의 시공은 정지 우주와 비교하면 광속보다 빠른 속도로 끌려가고 있다. 이 현상은 중력 자성이라 알려져있다. 작용권 안에서 물체는 빛의 속력 이상으로 끌려가기 때문에, 그 물체가 바깥의 우주에서 보기에 정지한 것처럼 보이기 위해서는 빛의 속력 이상으로 움직여야 하며, 이것은 물리적으로 불가능하기 때문에 작용권 안의 물체는 바깥에서 절대 정지해 보일 수 없다. 또한 작용권에는 음의 에너지가 존재하게 된다.
3. 특징
3. 1. 시공간 왜곡
블랙홀이 회전함에 따라 시공간은 사건의 지평선으로부터 거리가 멀어질수록 속도가 감소하며 회전 방향으로 뒤틀린다.[3] 이 과정은 렌즈-티어링 효과 또는 틀 끌림으로 알려져 있다.[4] 이러한 끌림 효과 때문에 에르고스피어 내의 물체는 해당 물체가 국소 시공간과 관련하여 빛의 속도보다 빠르게 움직이지 않는 한(불가능) 먼 거리에 있는 외부 관찰자에 대해 정지된 것처럼 보일 수 없다. 그러한 물체가 정지된 것처럼 보이는 데 필요한 속도는 사건의 지평선에서 더 멀리 떨어진 지점에서 감소하며, 어느 정도 거리에 도달하면 필요한 속도는 무시할 수 있다.
이러한 모든 점들의 집합은 '''에르고표면'''이라고 하는 에르고스피어 표면을 정의한다. 에르고스피어의 바깥 표면은 ''정적 표면'' 또는 ''정적 한계''라고 한다. 이는 세계선이 정적 한계 외부에서는 시간과 같고, 내부에서는 공간과 같게 변하기 때문이다.[5] 에르고스피어 표면을 임의로 정의하는 것은 빛의 속도이다. 이러한 표면은 회전의 극에서는 사건의 지평선과 일치하지만 적도에서는 사건의 지평선에서 더 멀리 떨어진 타원체처럼 보일 것이다. 이 표면 외부에서도 공간은 여전히 끌리지만, 그 속도는 더 작다.
에르고구는 회전타원체 형태이며, 블랙홀의 자전축에서 사건의 지평선과 접한다. 에르고구 내부의 시공간은 블랙홀의 회전 방향으로 끌려간다. 내부 시공간은 정지한 우주와 비교하면 광속보다 빠른 속도로 끌려간다. 이 현상은 관성계 끌림으로 알려져 있다. 에르고구 내부에서는 공간에 물체가 광속 이상으로 끌려가므로, 물체가 외부 우주에 대해 정지하기 위해서는 끌려가는 공간에 대해 광속 이상으로 운동해야 하며, 이는 물리적으로 불가능하므로 에르고구 내부의 물체는 외부의 정지한 우주에서 볼 때 정지할 수 없다. 또한, 이 공간의 끌림으로 인해 에르고구 내부에 음의 에너지가 존재한다는 결과가 나타난다.
3. 2. 정지 한계
작용권 바깥쪽의 경계는 '''정지 한계'''(stationary limit영어)라고 불린다. 정지 한계에서는 바깥에서 보기에는 공간이 다만 광속으로 끌려가며, 광속으로 움직이는 물체는 정지해있다. 이 경계의 외부도 블랙홀을 향해 끌려가지만, 광속보다는 느리게 끌려간다.[5]
안쪽의 경계는 사건 지평선이다. 블랙홀이 회전함에 따라 시공간은 사건의 지평선으로부터의 거리가 멀어질수록 속도가 감소하며 회전 방향으로 뒤틀린다.[3] 이 과정은 렌즈-티어링 효과 또는 틀 끌림으로 알려져 있다.[4]
3. 3. 사건의 지평선
에르고구는 회전타원체 형태이며, 블랙홀의 자전축에서 사건의 지평선과 접한다. 에르고구 내부의 시공간은 블랙홀의 회전 방향으로 끌려간다. 내부 시공간은 정지한 우주와 비교하면 광속보다 빠른 속도로 끌려가는데, 이 현상은 관성계 끌림 또는 Lense-Thirring effect영어로 알려져 있다. 에르고구 내부에서는 공간에 물체가 광속 이상으로 끌려가므로, 물체가 외부 우주에 대해 정지하기 위해서는 끌려가는 공간에 대해 광속 이상으로 운동해야 하며, 이는 물리적으로 불가능하므로 에르고구 내부의 물체는 외부의 정지한 우주에서 볼 때 정지할 수 없다. 또한, 이 공간의 끌림으로 인해 에르고구 내부에 음의 에너지가 존재한다는 결과가 나타난다.
에르고구 바깥쪽 경계는 정지 한계라고 불린다. 정지 한계에서는 공간이 정지한 공간에서 볼 때 정확히 광속으로 끌려가며, 광속으로 움직이는 물체가 무한대의 우주에 대해 정지한다. 이 경계 바깥쪽 공간은 끌려가고 있지만 광속보다는 느리다.
안쪽 경계는 사건의 지평선이다.
3. 4. 음의 에너지
에르고스피어 바깥에 정지된 채로 매달린 연추는 정지 한계에 접근함에 따라 무한대/발산하는 방사형 인력을 경험하게 된다.[6] 어느 시점에서 그것은 떨어지기 시작할 것이고, 그 결과 중력자기적으로 유도된 회전 방향의 운동이 발생한다. 이러한 공간 끌림의 의미는 에르고스피어 내에 음의 에너지가 존재한다는 것이다.[6]
에르고스피어는 사건의 지평선 바깥에 있기 때문에 충분한 속도로 해당 영역에 들어가는 물체가 블랙홀의 중력적 인력에서 탈출하는 것이 여전히 가능하다. 물체는 블랙홀의 회전에 들어가서 탈출함으로써 에너지를 얻을 수 있으며, 따라서 블랙홀의 에너지 일부를 가져갈 수 있다(이러한 기동은 "정상적인" 우주 물체 주변의 오버트 효과를 활용하는 것과 유사하게 만든다).[6]
회전하는 블랙홀에서 에너지를 제거하는 이 과정은 1969년 수학자 로저 펜로즈에 의해 제안되었으며, 펜로즈 과정이라고 불린다.[6] 이 과정을 통해 단일 입자가 얻을 수 있는 최대 에너지 획득량은 질량 등가 측면에서 20.7%이며,[7] 이 과정을 동일한 질량에 의해 반복하면 이론적인 최대 에너지 획득은 원래 질량-에너지 등가의 29%에 접근한다.[8] 이 에너지가 제거됨에 따라 블랙홀은 각운동량을 잃게 되며, 따라서 시공간 끌림이 감소함에 따라 회전이 0이 되는 한계에 접근한다. 이러한 한계에서 에르고스피어는 더 이상 존재하지 않는다. 이 과정은 감마선 폭발과 같은 매우 활동적인 현상의 에너지원으로써 가능한 설명으로 간주된다.[9] 컴퓨터 모델의 결과에 따르면 펜로즈 과정은 퀘이사 및 기타 활동 은하핵에서 방출되는 고에너지 입자를 생성할 수 있다.[10]
3. 5. 펜로즈 과정
로저 펜로즈가 1969년에 제창한 펜로즈 과정은 회전하는 블랙홀에서 에너지를 추출하는 방법이다.[6] 작용권(에르고스피어)이 사건 지평선 바깥에 존재하기 때문에, 물체는 블랙홀의 중력에서 벗어날 수 있다. 이 때, 물체는 블랙홀의 회전에 이끌려 에너지를 얻고 탈출하면서 블랙홀의 에너지를 가져갈 수 있다.[6]
이론적으로 회전하는 블랙홀에서 꺼낼 수 있는 최대 에너지는 블랙홀이 가진 에너지의 29%이다.[8] 이 정도의 에너지를 추출하면 블랙홀의 회전은 정지하고 작용권은 사라진다.[8]
펜로즈 과정은 감마선 폭발 현상의 에너지원을 설명할 수 있다고 여겨진다.[9] 컴퓨터 모델 계산에 따르면, 이 과정은 퀘이사와 활동은하핵에서 관측되는 고에너지 입자를 생성할 수 있다.[10]
4. 작용권의 크기
작용권의 크기, 즉 에르고표면과 사건의 지평선 사이의 거리는 반드시 사건의 지평선의 반지름에 비례하는 것은 아니며, 블랙홀의 중력과 각운동량에 비례한다.[11] 극점은 움직이지 않으므로 각운동량이 없지만, 적도에서는 한 점이 가장 큰 각운동량을 갖게 된다.[11] 극점에서 적도까지 확장되는 이러한 각운동량의 변화가 작용권에 타원체 모양을 부여한다.[11] 블랙홀의 질량이나 회전 속도가 증가함에 따라 작용권의 크기도 증가한다.[11]
5. 응용 및 연구
6. 같이 보기
참조
[1]
arXiv
The Kerr spacetime: A brief introduction
2008-01-15
[2]
웹사이트
Physics 161: Black Holes: Lecture 22
http://physics.ucsd.[...]
2010-02-26
[3]
서적
Misner
1973
[4]
웹사이트
Lense-Thiring Effect
http://www.daviddarl[...]
[5]
서적
Misner
1973
[6]
학술지
Energetics of the Kerr–Newman Black Hole by the Penrose Process
http://www.ias.ac.in[...]
1985-01-10
[7]
서적
Chandrasekhar
[8]
서적
Carroll
[9]
학술지
Rotating BHs as Central Engines of Long GRBs: Faster is Better
2011-06-28
[10]
학술지
Penrose pair production as a power source of quasars and active galactic nuclei
1979
[11]
학술지
Acoustic black holes: horizons, ergospheres, and Hawking radiation
[12]
서적
ペンローズのねじれた四次元
講談社 ブルーバックス
[13]
서적
LIFE 3.0
紀伊国屋書店
2020-01-06
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