벌거숭이 특이점
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1. 개요
벌거숭이 특이점은 일반 상대성 이론에서 거대한 별의 중력 붕괴로 인해 형성될 수 있는 블랙홀과는 다른 형태의 특이점이다. 오펜하이머-스나이더 모형과 같은 이론적 모델에서는 사건의 지평선이 특이점을 가리지 못하고, 특이점에서 나오는 빛이 외부 관찰자에게 도달할 수 있는 상황을 설명한다. 빠르게 회전하는 특이점은 고리 모양을 가질 수 있으며, 백색 왜성이나 중성자별이 암흑 물질을 포획하여 벌거숭이 특이점으로 변환될 수 있다는 연구도 있다. 벌거숭이 특이점의 존재는 우주 검열 가설에 대한 의문을 제기하며, SF 소설, 영화, 게임 등 다양한 대중문화 작품에서 소재로 활용되고 있다.
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벌거숭이 특이점 | |
---|---|
일반 정보 | |
명칭 | 벌거숭이 특이점 |
영어 명칭 | Naked singularity |
일본어 명칭 | 裸の特異点 (Hadaka no Tokuiten) |
설명 | 사건 지평선으로 둘러싸이지 않은 중력 특이점 |
상세 정보 | |
우주 검열 가설 | 벌거숭이 특이점의 존재는 우주 검열 가설에 위배됨. |
발생 가능성 | 특정 조건 하에서 회전하는 블랙홀 내부에서 발생할 수 있다는 이론적 가능성이 제기됨. |
관측 | 현재까지 관측된 바 없음. |
중요성 | 벌거숭이 특이점의 존재는 물리학의 기본 법칙에 대한 이해를 바꿀 수 있는 중요한 문제임. |
2. 이론적 형성
거대한 별이 자체의 엄청난 중력으로 인해 중력 붕괴를 겪을 때, 이 지속적인 붕괴의 최종 결과는 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점 중 하나로 나타날 수 있다. 이는 일반 상대성 이론의 틀 내에서 다양한 물리적으로 타당한 시나리오에서 사실이다.[4][5] 오펜하이머-스나이더-다트(OSD) 모형은 균일한 먼지(압력이 없는 물질)로 구성된 구형 구름의 붕괴를 보여준다. 이 시나리오에서 모든 물질은 동반 시간의 관점에서 시공간 특이점으로 동시에 수렴한다. 특히, 사건의 지평선은 특이점 이전에 나타나 효과적으로 이를 덮는다. 초기 밀도(불균일한 밀도 고려) 프로파일의 변화를 고려하면, 지평선의 동작에 상당한 변화를 입증할 수 있다. 이는 일반적인 먼지의 붕괴로부터 두 가지 뚜렷한 잠재적 결과를 초래한다: 지평선이 특이점보다 앞서는 블랙홀의 형성, 그리고 지평선이 지연되는 벌거숭이 특이점의 출현이다. 벌거숭이 특이점의 경우, 이러한 지연은 밀도와 곡률이 발산하는 중심 특이점에서 널 측지선 또는 광선이 멀리 떨어진 관찰자에게 도달하도록 한다.[6][7][8] 보다 현실적인 붕괴 시나리오를 탐구하는 한 가지 방법은 모델에 압력을 통합하는 것이다. 0이 아닌 압력과 현실적인 상태 방정식(구름 내의 밀도와 압력 간의 특정 관계를 명시)을 포함한 다양한 모델을 사용한 중력 붕괴를 고려하는 것은 수년에 걸쳐 수많은 연구자들이 면밀히 조사하고 연구했다.[9] 그들은 모두 초기 데이터에 따라 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점 중 하나로 이어진다.
회전하는 블랙홀의 개념에서 도출된 개념을 통해, 빠르게 회전하는 특이점은 고리 모양의 객체가 될 수 있다. 이는 두 개의 사건의 지평선과 함께 에르고스피어를 생성하며, 특이점의 스핀이 증가함에 따라 서로 가까워진다. 외부 및 내부 사건의 지평선이 합쳐지면, 회전하는 특이점을 향해 축소되고 결국 이를 나머지 우주에 노출시킨다.
충분히 빠르게 회전하는 특이점은 먼지의 붕괴 또는 빠르게 회전하는 별의 초신성에 의해 생성될 수 있다. 펄서에 대한 연구[10]와 일부 컴퓨터 시뮬레이션(춉투이크, 1997)이 수행되었다.[11] 흥미롭게도, 최근 보고에 따르면 일부 회전하는 백색 왜성이 비대칭 암흑 물질 입자를 포획하여 다양한 태양 질량 근처 및 이하 값으로 현실적으로 회전하는 벌거숭이 특이점 및 블랙홀로 변환될 수 있다.[12] 마찬가지로, 회전하는 중성자별도 중성자별의 핵에 축적된 암흑 물질 입자의 구름을 이방성 유체로 모델링할 수 있다면 비대칭 암흑 물질 입자를 포획하여 천천히 회전하는 태양 질량 근처의 벌거숭이 특이점으로 변환될 수 있다.[13] 일반적으로, 자이로스코프의 세차 운동과 회전하는 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점으로 떨어지는 물질의 궤도 세차 운동은 이러한 이국적인 객체를 구별하는 데 사용될 수 있다.[14][15]
쇼 상 수상자인 수학자 데메트리오스 크리스토둘루는 예상과는 달리, 블랙홀에 숨겨지지 않은 특이점도 발생한다는 것을 보여주었다.[16] 그러나 그는 이러한 "벌거숭이 특이점"이 불안정하다는 것을 보여주었다.[17]
2. 1. 오펜하이머-스나이더 모형
거대한 별이 자체 중력으로 인해 붕괴될 때, 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점이 나타날 수 있다.[4][5] 오펜하이머-스나이더-다트(OSD) 모형은 균일한 먼지 구름의 붕괴를 보여주는데, 이 경우 모든 물질은 특이점으로 수렴하며 사건의 지평선이 먼저 나타나 특이점을 가린다.[4][5] 초기 밀도 프로파일의 변화를 고려하면, 지평선의 형성에 영향을 주어 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점이 형성될 수 있다.[6][7][8] 벌거숭이 특이점의 경우, 중심 특이점에서 나오는 광선이 멀리 떨어진 관찰자에게 도달할 수 있다.[6][7][8] 압력을 포함한 다양한 모델을 사용한 중력 붕괴 연구에서도 초기 조건에 따라 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점이 발생한다.[9]2. 2. 회전하는 특이점
거대한 별이 자체 중력으로 인해 붕괴할 때, 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점이 생성될 수 있다. 오펜하이머-스나이더-다트(OSD) 모형은 균일한 먼지로 구성된 구형 구름의 붕괴를 보여주는데, 이 경우 모든 물질은 특이점으로 수렴한다.[4][5] 초기 밀도 프로파일 변화에 따라, 특이점보다 먼저 사건의 지평선이 나타나 블랙홀을 형성하거나, 지평선이 지연되어 벌거숭이 특이점이 나타날 수 있다.[6][7][8] 0이 아닌 압력과 현실적인 상태 방정식을 포함한 다양한 모델을 사용한 중력 붕괴 연구에서도 초기 데이터에 따라 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점이 생성됨이 밝혀졌다.[9]빠르게 회전하는 특이점은 고리 모양을 가질 수 있으며, 두 개의 사건의 지평선과 에르고스피어를 생성한다. 특이점의 회전 속도가 증가하면 외부 및 내부 사건의 지평선이 서로 가까워져 결국 특이점을 외부로 노출시킨다.
충분히 빠르게 회전하는 특이점은 먼지의 붕괴나 빠르게 회전하는 별의 초신성에 의해 생성될 수 있다. 펄서에 대한 연구[10]와 춉투이크의 컴퓨터 시뮬레이션(1997)이 수행되었다.[11] 최근 연구에 따르면, 일부 회전하는 백색 왜성이나 중성자별이 비대칭 암흑 물질 입자를 포획하면 다양한 태양 질량 근처 및 이하 값으로 회전하는 벌거숭이 특이점으로 변환될 수 있다.[12][13] 자이로스코프의 세차 운동과 회전하는 블랙홀 또는 벌거숭이 특이점으로 떨어지는 물질의 궤도 세차 운동은 이러한 객체를 구별하는 데 사용될 수 있다.[14][15]
쇼 상 수상자 데메트리오스 크리스토둘루는 블랙홀에 숨겨지지 않은 특이점도 발생할 수 있음을 보였으나, 이러한 "벌거숭이 특이점"은 불안정하다고 밝혔다.[16][17]
3. 측정
사건의 지평선이 없는 특이점은 Kerr 계량 또는 Reissner-Nordström 계량으로 설명될 수 있다.
진공 상태의 회전하는 블랙홀인 Kerr 계량에서 각운동량이 충분히 높으면 사건의 지평선이 사라질 수 있다.[18] Boyer–Lindquist 좌표계로 변환하면, 사건의 지평선의 좌표 (반지름이 아님)는 다음과 같다.
:
여기서 이고, 이다. 인 경우, 즉 스핀이 일반적으로 물리적으로 가능한 값의 상한을 초과하면 사건의 지평선이 사라진다.
전하를 띤 블랙홀의 Reissner-Nordström 기하학에서도 사건의 지평선이 사라지는 현상을 볼 수 있다.[19] 이 계량에서 사건의 지평선은 다음과 같이 나타난다.
:
여기서 이고, 이다. 인 경우, 즉 전하가 일반적으로 물리적으로 가능한 값의 상한을 초과하면 사건의 지평선이 없어진다.
회전하고 전하를 띤 링 특이점에 대해서는 Kerr–Newman 계량을 참조한다.
3. 1. Kerr 계량
으로 묘사된 은하수 배경의 가상적인 벌거숭이 특이점 이미지. 특이점의 매개변수는 M=1, a²+Q²=2M²이다. 특이점은 적도면에서 θ=90° (가장자리)에서 관찰된다.]]사건의 지평선이 사라지는 현상은 진공 상태의 회전하는 블랙홀인 Kerr 계량에서 존재한다.[18] 구체적으로 말하면, 각운동량이 충분히 높으면 사건의 지평선이 사라질 수 있다. Kerr 계량을 Boyer–Lindquist 좌표계로 변환하면, 사건의 지평선의 좌표 (반지름이 아님)는 다음과 같다.
:
여기서 이고, 이다. 이 경우 "사건의 지평선이 사라진다"는 것은 에 대한 해가 복소수이거나, 인 경우를 의미한다. 그러나 이것은 가 (또는 플랑크 단위로 )을 초과하는 경우, 즉 스핀이 일반적으로 물리적으로 가능한 값의 상한을 초과하는 경우에 해당한다.
사건의 지평선이 사라지는 현상은 전하를 띤 블랙홀의 Reissner–Nordström 기하학에서도 볼 수 있다.[19] 이 계량에서, 사건의 지평선은 다음과 같이 나타난다.
:
여기서 이고, 이다. 와 의 상대적인 값에 대한 세 가지 가능한 경우 중, 인 경우 두 가 모두 복소수가 된다. 이는 계량이 모든 양의 값에 대해 정규하다는 것을 의미하며, 다시 말해, 특이점에는 사건의 지평선이 없다는 것이다. 그러나 이것은 가 (또는 플랑크 단위로 )을 초과하는 경우, 즉 전하가 일반적으로 물리적으로 가능한 값의 상한을 초과하는 경우에 해당한다.
회전하고 전하를 띤 링 특이점에 대해서는 Kerr–Newman 계량을 참조한다.
3. 2. Reissner-Nordström 계량
전하를 띤 블랙홀의 Reissner–Nordström 기하학에서 사건의 지평선은 다음과 같이 나타난다.[19]
:
여기서 이고, 이다. 와 의 상대적인 값에 대한 세 가지 가능한 경우 중, 인 경우 두 가 모두 복소수가 된다. 이는 계량이 모든 양의 값에 대해 정규하다는 것을 의미하며, 다시 말해, 특이점에는 사건의 지평선이 없다는 것이다. 그러나 이것은 가 (또는 플랑크 단위로 )을 초과하는 경우, 즉 전하가 일반적으로 물리적으로 가능한 값의 상한을 초과하는 경우에 해당한다. 전하가 충분히 커져 사건의 지평선이 사라지는 현상이 발생할 수 있다.
회전하고 전하를 띤 링 특이점에 대해서는 Kerr–Newman 계량을 참조하십시오.
4. 효과
벌거숭이 특이점은 과학자들이 무한히 밀도가 높은 물질을 관찰할 수 있게 해 주는데, 이는 일반적인 상황에서는 우주 검열 가설에 의해 불가능하다. 어떠한 종류의 사건의 지평선도 없이, 일부에서는 벌거숭이 특이점이 실제로 빛을 방출할 수 있다고 추측한다.
5. 우주 검열 가설
우주 검열 가설은 중력 특이점이 사건의 지평선에 의해 숨겨져 있을 것이라고 말한다. LIGO의 사건, GW150914를 포함하여, 이러한 예측과 일치한다. 비록 특이점의 경우 데이터 이상 현상이 발생했을 것이지만, 그러한 이상 현상의 본질은 아직 알려지지 않았다.[21]
일부 연구에서는 루프 양자 중력이 맞다면, 벌거숭이 특이점이 자연계에 존재할 수 있으며,[22][23][24] 이는 우주 검열 가설이 성립하지 않음을 시사한다. 수치 계산[25]과 일부 다른 주장[26] 또한 이러한 가능성을 암시해왔다.
6. 대중문화와 픽션
M. 존 해리슨의 케파후치 트랙트 3부작 SF 소설(''라이트'', ''노바 스윙'' 및 ''빈 공간'')은 인류가 벌거벗은 특이점을 탐험하는 이야기를 중심으로 한다. 제임스 C. 글래스의 "어두운 위험"(2005년 3월 ''아날로그''에 게재)은 탐사 임무를 수행하는 우주 여행자에 대한 이야기로, 이들은 이상한 우주론적 현상을 조사하던 중 두 개의 작은 우주선이 흔들리기 시작하고, 그 지역을 벗어날 수 없게 된다. 한 승무원은 그들이 블랙홀 또는 벌거벗은 특이점의 에르고스피어에 갇혔다는 것을 깨닫는다. 이 이야기는 여러 블랙홀 또는 특이점의 무리를 묘사하며, 승무원이 이 겉보기에는 벗어날 수 없는 상황에서 살아남기 위해 무엇을 하는지 보여준다. 스티븐 벡스터의 실리 시퀀스에는 거대한 고리를 만들어 벌거벗은 특이점을 생성하는 실리가 등장하며, 이것은 다른 우주로 이동하는 데 사용된다.
본다 맥킨타이어의 1981년 스타 트렉 소설 ''엔트로피 효과''에서 벌거벗은 특이점은 시간 여행 실험의 부작용으로 밝혀졌으며, 시간 여행 실험이 시작되기 전에 중단되지 않으면 우주를 파괴할 위협이 된다. 피터 해밀턴의 ''밤의 새벽 삼부작''에 등장하는 잠자는 신은 벌거벗은 특이점으로 여겨진다.
배틀스타 갈락티카의 마지막 화인 "데이 브레이크"에서 실론 식민지는 벌거숭이 특이점을 공전한다. 크리스토퍼 놀란의 영화 인터스텔라에서는 벌거숭이 특이점의 부재가 사건의 지평선 내부의 실험 데이터를 얻을 수 없기 때문에 인류가 양자 중력 이론을 완성하는 것을 방해한다.
비주얼 노벨 《슈타인즈 게이트》에서 벌거숭이 특이점은 주인공의 기억을 압축하여 과거로 보내는 데 사용된다.
죠죠의 기묘한 모험 8부 "죠죠리온"에서 주인공은 작은 벌거숭이 특이점을 만들 수 있는 능력을 가진다. 공식적으로 그렇게 언급되지는 않지만, 능력 "고 비욘드"는 무한히 작은 '끈'에서 보이지 않는 고속 회전 소용돌이를 생성하여, 우주 검열 가설 및 루프 양자 중력과 유사점을 그린다. 이시카와 마사유키의 만화 《갈팡질팡 별》 (연재 중)에서 오이카와가 "바깥" 세상을 탐험하려 하면 일정 거리에서 어떤 경고가 발해져 귀환을 지시받고, 무시하면 의식을 잃고 관측할 수 없게 된다. "여름 방학의 끝" 이전의 인간이 우주 검열관 가설에 의해 "미래의 아이들"에게 숨기고 있는 비밀이 벌거숭이 특이점이라는 것이 제5권의 "덤"(후기)에서 시사되고 있다.
6. 1. 문학
M. 존 해리슨의 케파후치 트랙트 3부작 SF 소설(''라이트'', ''노바 스윙'' 및 ''빈 공간'')은 인류가 벌거벗은 특이점을 탐험하는 이야기를 중심으로 한다. 제임스 C. 글래스의 "어두운 위험"(2005년 3월 ''아날로그''에 게재)은 탐사 임무를 수행하는 우주 여행자에 대한 이야기로, 이들은 이상한 우주론적 현상을 조사하던 중 두 개의 작은 우주선이 흔들리기 시작하고, 그 지역을 벗어날 수 없게 된다. 한 승무원은 그들이 블랙홀 또는 벌거벗은 특이점의 에르고스피어에 갇혔다는 것을 깨닫는다. 이 이야기는 여러 블랙홀 또는 특이점의 무리를 묘사하며, 승무원이 이 겉보기에는 벗어날 수 없는 상황에서 살아남기 위해 무엇을 하는지 보여준다. 스티븐 벡스터의 실리 시퀀스에는 거대한 고리를 만들어 벌거벗은 특이점을 생성하는 실리가 등장하며, 이것은 다른 우주로 이동하는 데 사용된다.본다 맥킨타이어의 1981년 스타 트렉 소설 ''엔트로피 효과''에서 벌거벗은 특이점은 시간 여행 실험의 부작용으로 밝혀졌으며, 시간 여행 실험이 시작되기 전에 중단되지 않으면 우주를 파괴할 위협이 된다. 이시카와 마사유키의 만화 《갈팡질팡 별》에서는 우주 검열관 가설과 관련된 비밀로 벌거숭이 특이점이 암시된다.
6. 2. 영화 및 드라마
배틀스타 갈락티카의 마지막 화인 "데이 브레이크"에서 실론 식민지는 벌거숭이 특이점을 공전한다. 크리스토퍼 놀란의 영화 인터스텔라에서는 벌거숭이 특이점의 부재가 사건의 지평선 내부의 실험 데이터를 얻을 수 없기 때문에 인류가 양자 중력 이론을 완성하는 것을 방해한다.M. 존 해리슨의 케파후치 트랙트 3부작 SF 소설(''라이트'', ''노바 스윙'' 및 ''빈 공간'')은 인류가 벌거벗은 특이점을 탐험하는 이야기를 중심으로 한다.
제임스 C. 글래스의 "어두운 위험"은 이상한 우주론적 현상을 조사하던 중 두 개의 작은 우주선이 흔들리기 시작하고, 그 지역을 벗어날 수 없게 되자, 한 승무원이 그들이 블랙홀 또는 벌거벗은 특이점의 에르고스피어에 갇혔다는 것을 깨닫는 이야기이다. 이 이야기는 여러 블랙홀 또는 특이점의 무리를 묘사하며, 승무원이 이 겉보기에는 벗어날 수 없는 상황에서 살아남기 위해 무엇을 하는지 보여준다.
스티븐 벡스터의 실리 시퀀스에는 거대한 고리를 만들어 벌거벗은 특이점을 생성하는 실리가 등장하며, 이것은 다른 우주로 이동하는 데 사용된다.
피터 해밀턴의 ''밤의 새벽 삼부작''에 등장하는 잠자는 신은 벌거벗은 특이점으로 여겨진다.
비주얼 노벨 ''슈타인즈 게이트''에서 벌거벗은 특이점은 주인공의 디지털화된 기억을 더 작은 크기로 압축한 다음 즉석에서 만든 "타임 리프 머신"으로 시간을 거슬러 보내는 데 사용된다.
본다 맥킨타이어의 스타 트렉 소설 ''엔트로피 효과''에서 벌거벗은 특이점은 시간 여행 실험의 부작용으로 밝혀졌으며, 시간 여행 실험이 시작되기 전에 중단되지 않으면 우주를 파괴할 위협이 된다.
"죠죠의 기묘한 모험" 만화 시리즈의 8부인 "죠죠리온"에서 주인공은 작은 벌거벗은 특이점을 만들 수 있다. 공식적으로 그렇게 언급되지는 않지만, 능력 "고 비욘드"는 무한히 작은 '끈'에서 보이지 않는 고속 회전 소용돌이를 생성하여, 우주 검열 가설 및 루프 양자 중력과 유사점을 그린다.
6. 3. 게임
비주얼 노벨 《슈타인즈 게이트》에서 벌거숭이 특이점은 주인공의 기억을 압축하여 과거로 보내는 데 사용된다.6. 4. 만화
죠죠의 기묘한 모험 8부 "죠죠리온"에서 주인공은 작은 벌거숭이 특이점을 만들 수 있는 능력을 가진다. 공식적으로 그렇게 언급되지는 않지만, 능력 "고 비욘드"는 무한히 작은 '끈'에서 보이지 않는 고속 회전 소용돌이를 생성하여, 우주 검열 가설 및 루프 양자 중력과 유사점을 그린다. 이시카와 마사유키의 만화 《갈팡질팡 별》 (연재 중)에서 오이카와가 "바깥" 세상을 탐험하려 하면 일정 거리에서 어떤 경고가 발해져 귀환을 지시받고, 무시하면 의식을 잃고 관측할 수 없게 된다. "여름 방학의 끝" 이전의 인간이 우주 검열관 가설에 의해 "미래의 아이들"에게 숨기고 있는 비밀이 벌거숭이 특이점이라는 것이 제5권의 "덤"(후기)에서 시사되고 있다.참조
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