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국수효과

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1. 개요

국수 효과는 물체가 강한 중력장 내에서 겪는 현상으로, 중력의 차이로 인해 물체가 늘어나거나 얇아지는 현상을 말한다. 이는 물체가 블랙홀과 같은 천체에 가까워질 때 특히 두드러지게 나타나며, 조석력의 강도에 따라 물체의 파괴 여부가 결정된다. 블랙홀의 크기에 따라 국수 효과가 발생하는 지점이 사건의 지평선 안 또는 밖에 위치할 수 있으며, 작은 블랙홀의 경우 사건의 지평선에 도달하기 전에 물체가 파괴될 수 있다.

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국수효과
현상 개요
이름스파게티화
로마자 표기seupagettihwa
영어 이름spaghettification (스파게티피케이션)
다른 이름국수 효과 (noodle effect)
설명강한 조석력으로 인해 물체가 길게 늘어나는 현상
관련 분야천체물리학
원인
주요 원인블랙홀 주변의 강한 조석력
추가 설명물체가 블랙홀에 가까워질수록 중력 차이가 커져 물체가 늘어남.
과정
현상물체가 수직 방향으로 늘어나고 수평 방향으로 압착됨.
결과긴 스파게티 모양으로 변형됨.
영향
일반적 환경블랙홀 주변에서 주로 발생
인체인간이 블랙홀에 접근할 경우 즉사할 가능성이 높음.
기타
참고스파게티화는 이론적인 개념으로, 직접 관측하기 어려움.

2. 간단한 예시

4개의 물체가 행성으로 떨어지는 과정에서 나타나는 국수효과


행성 상공에 4개의 물체가 다이아몬드 형태로 놓여 있다고 가정한다. 이 물체들은 중력전기장[5][13]의 선을 따라 천체의 중심을 향해 움직인다. 역제곱 법칙에 따라, 고도가 가장 낮은 물체가 가장 큰 중력 가속도를 받게 되어 전체 구조가 선처럼 늘어난다.

이 네 물체가 더 큰 물체의 일부라고 가정해 보자. 강체는 변형에 저항하며, 물체가 변형되면서 발생하는 내부 탄성력으로 조석력과 균형을 이루어 기계적 평형 상태를 유지하려고 한다. 하지만 조석력이 너무 크면, 강체는 항복하여 소성 유동을 일으키거나 파괴되어 가느다란 필라멘트나 파편 조각들의 수직선 형태를 만들 수 있다.

3. 조석력의 강도



예를 들어, 4개의 개별 물체가 행성 위의 공간에 다이아몬드 형태로 배치되어 있다고 가정해 보자. 이 물체들은 중력전기장[5]의 선을 따라 천체의 중심을 향하게 된다. 역제곱 법칙에 따라, 4개의 물체 중 고도가 가장 낮은 물체가 가장 큰 중력 가속도를 경험하게 되므로, 전체 구조는 일직선으로 늘어나게 된다.

이 4개의 물체가 더 큰 물체의 연결된 부분이라고 생각하면, 강체는 이러한 변형에 저항한다. 조석력의 균형을 맞추기 위해 물체가 변형되면서 내부 탄성력이 발생하여 기계적 평형 상태를 이루려고 한다. 그러나 조석력이 너무 강하면, 물체는 탄성 한계를 넘어 항복하여 소성 흐름이 발생하거나, 결국 파괴되어 길게 늘어난 필라멘트나 여러 조각으로 부서질 수 있다.

점질량 또는 구형 질량에 의한 중력장에서, 중력 방향으로 놓인 균일한 막대의 경우, 중심에서의 장력은 한쪽 끝부분에 작용하는 조석력을 적분하여 계산할 수 있다. 이 장력 F는 F = μlm / 4r3 로 표현된다.[13] 여기서 μ는 거대 질량 물체의 표준 중력 변수, l은 막대의 길이, m은 막대의 질량, r은 거대 질량 물체 중심까지의 거리이다. 만약 물체가 균일하지 않다면, 질량이 중심에 집중될수록 장력은 약해지고, 반대로 끝 부분에 질량이 집중될수록 장력은 최대 2배까지 강해질 수 있다. 또한, 물체는 늘어나는 방향과 수직인 방향, 즉 중심을 향하는 수평 방향으로 압축되는 힘도 받게 된다.

표면을 가진 거대 질량 물체의 경우, 장력은 표면 근처에서 최대가 된다. 만약 막대의 크기가 거대 질량 물체에 비해 매우 작다면, 이 최대 장력 값은 막대와 거대 질량 물체의 평균 밀도에만 의존한다. 예를 들어, 질량이 1kg이고 길이가 1m인 막대가 지구와 같은 평균 밀도를 가진 거대 질량 물체 근처에 있다면, 조석력에 의해 발생하는 최대 장력은 0.4 마이크로뉴턴에 불과하다.

하지만 백색 왜성처럼 밀도가 매우 높은 천체 표면 부근에서는 조석력이 훨씬 강해진다. 같은 막대라도 백색 왜성 근처에서는 최대 0.24 뉴턴의 장력을 받을 수 있다. 중성자별 근처에서는 조석력이 더욱 강력해진다. 만약 막대가 10,000 뉴턴의 인장 강도를 가지고 있고, 태양 질량의 2.1배인 중성자별을 향해 수직으로 떨어진다고 가정하면, 막대는 녹는 점을 고려하지 않더라도 중심에서 약 190km 떨어진 지점, 즉 표면(중성자별의 일반적인 반경은 약 12km)에 도달하기 훨씬 전에 파괴될 것이다.

실제 상황에서는 중성자별에 접근하는 물체는 강한 조석력 외에도 극심한 열 때문에 먼저 파괴될 가능성이 높다. 반면, 블랙홀 근처에서는 (주변에 물질이 없다고 가정하면) 강한 방사선은 없지만, 극도로 강한 조석력만으로도 물체는 파괴되어 인간과 같은 생명체는 생존할 수 없다. 더욱이 블랙홀에는 떨어지는 것을 막아줄 표면이 존재하지 않기 때문에, 낙하하는 물체는 계속해서 가늘고 긴 끈 모양으로 늘어나게 된다.

4. 사건의 지평선 안팎





조석력이 물체를 파괴하거나 사람을 죽음에 이르게 하는 지점은 블랙홀의 크기에 따라 달라진다.

은하 중심부에서 발견되는 것과 같은 초거대 블랙홀의 경우, 이 파괴 지점은 사건의 지평선 안쪽에 위치한다. 따라서 우주비행사는 사건의 지평선을 통과할 때 특별한 찌그러짐이나 당김을 느끼지 못할 수도 있다. 하지만 일단 사건의 지평선 안으로 들어가면 중력 특이점을 향해 떨어지는 것을 피할 수 없게 된다.[7][15][16]

반면, 슈바르츠실트 반지름이 중력 특이점에 훨씬 가까운 작은 블랙홀의 경우에는 조석력이 매우 강하여, 우주비행사가 사건의 지평선에 도달하기 전에 이미 치명적인 수준에 이르게 된다.[8][9][15][16]

예를 들어, 태양 질량의 10배인 블랙홀[17]의 경우, 슈바르츠실트 반지름은 30km이지만, 물체가 파괴되는 지점은 그보다 훨씬 바깥인 320km 지점이다. 반면, 태양 질량의 10,000배인 초거대 블랙홀의 경우, 슈바르츠실트 반지름은 30000km이며, 파괴 지점은 그 안쪽인 3200km 지점이 된다.

참조

[1] 서적 Cosmic catastrophes: exploding stars, black holes, and mapping the universe https://www.worldcat[...] Cambridge University Press 2007
[2] 서적 A Brief History of Time Bantam Dell Publishing Group 1988
[3] 서적 Astronomy OpenStax
[4] 서적 The Key to the Universe: A Report on the New Physics https://archive.org/[...] Viking Press 2022-07-10
[5] 서적 Near Zero: New Frontiers of Physics W. H. Freeman and Company
[6] 간행물 Eddington Envelopes: The Fate of Stars on Parabolic Orbits Tidally Disrupted by Supermassive Black Holes
[7] 서적 Foundations of modern cosmology https://books.google[...] Oxford University Press 2005
[8] 서적 General relativity: an introduction for physicists https://books.google[...] Cambridge University Press 2006
[9] 서적 Astronomy: a physical perspective https://books.google[...] Cambridge University Press 2003
[10] 서적 Cosmic catastrophes: exploding stars, black holes, and mapping the universe https://books.google[...] Cambridge University Press 2007
[11] 서적 ':en:A Brief History of Time' Bantam Dell Publishing Group 1988
[12] 서적 Astronomy OpenStax
[13] 서적 Near Zero: New Frontiers of Physics ':en:W. H. Freeman and Company'
[14] 웹사이트 Spinning Black Hole Swallowing Star Explains Superluminous Event - ESO telescopes help reinterpret brilliant explosion https://www.eso.org/[...] 2016-12-15
[15] 서적 General relativity: an introduction for physicists https://books.google[...] Cambridge University Press 2006
[16] 서적 Astronomy: a physical perspective https://books.google[...] Cambridge University Press 2003
[17] 문서 銀河の現在の段階において自然に形成される最小のブラックホールの質量は、太陽質量の2倍を超える。
[18] 서적 Cosmic catastrophes: exploding stars, black holes, and mapping the universe https://books.google[...] Cambridge University Press 2007
[19] 서적 시간의 역사 Bantam Dell Publishing Group 1988
[20] 서적 The Key to the Universe: A Report on the New Physics https://archive.org/[...] Viking Press 1977



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