유사 블랙홀을 통해 '호킹 복사'를 확인했다는 연구결과

'휠체어의 물리학자'라고 불린 스티븐 호킹 박사가 1974년에 예언한 '호킹 복사'를 유사 블랙홀로 확인했다고 이스라엘 연구팀이 발표했습니다.

Lab-grown black hole analog behaves just like Stephen Hawking said it would | Live Science
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Lab-grown black hole analog behaves just like Stephen Hawking said it would

호킹 박사는 1974년 '블랙홀은 방사가 없다는 의미에서 블랙이라는 이름이 붙지만, 양자효과를 고려하면 실제로는 열방사를 하고 있으며, 그 방사는 시간과 관계없이 일정하다'고 예측했습니다.

양자역학의 불확정성 원리에서의 진공은 아무것도 없는 공간이 아닌 가상입자가 쌍생성과 쌍소멸을 반복하는 공간이라고 생각합니다. 호킹 박사가 생각한 것은, 만약 블랙홀에 내재하는 빛조차도 빠져나오지 못하는 '사건의 지평선' 근처에서 가상입자가 쌍생성하고, 한쪽만 사건의 지평선을 넘어버린 사례에 대한 고찰입니다. 호킹 박사는 가상입자가 마이너스 에너지를 가지고 있다는 해석하에 '블랙홀이 가상입자를 흡수한다면 마이너스 에너지를 얻은 것과 동의어로, 게다가 흡수되지 않은 쪽의 가상입자는 다른 가상입자와 쌍소멸하여 플러스 에너지를 갖게 된다. 즉, 블랙홀은 마이너스 에너지를 얻을 때, 플러스 에너지를 가진 입자를 방출할 것'이라고 예측했습니다. 이 예측은 박사의 이름을 딴 '호킹 복사'라고 불리게 되어 양자우주론이라는 새로운 학문분야의 선구자가 되었습니다.

이번에 새롭게 테크니온 이스라엘 공과대학의 제프 스테인하우어 교수팀이 발표한 연구는, 실험실에서 생성한 유사 블랙홀의 방사가 시간에 따라 불변이라는 '정상성'을 확인했다는 것. 스테인하우어 교수는 2009년부터 유사 블랙홀에 의해 호킹 복사를 확인하는 연구를 계속하고 있으며, 2016년에는 '호킹 복사를 확인했다'는 취지의 논문을 발표했습니다.

스테인하우어 교수가 일련의 실험에 이용한 '유사 블랙홀'은 빛 대신 소리를 이용하는 '음향 블랙홀'이라고 불리는 것. 블랙홀은 빛조차도 탈출할 수 없는 천체이지만, 음향 블랙홀은 파동으로써 빛과 성질이 가까운 소리에 착안하여 '소리가 탈출할 수 없는 공간'을 형성하여 블랙홀의 성질을 규명하려는 실험기술입니다.

스테인하우어 교수는 약 8000개의 루비듐 원자를 봉입한 가스를 절대영도 근처까지 냉각한 후 레이저를 조사하여 원자의 위치를 고정시켰고, 이렇게 하여 보스-아인슈타인 응축이라는 개별 입자가 거대한 파도처럼 운동하는 상태를 만들어 냈습니다.

보스-아인슈타인 응축 상태의 루비듐은 음속이 0.5mm/s 이하로 저하된다는 특성이 있습니다. 스테인하우어 교수는 극한까지 음속을 저하시킨 가스에 더욱 레이저를 조사하여 '가스의 절반만 음속 이하로 흐르고, 나머지 절반은 음속 이상으로 흐른다'는 상황을 생성했습니다. 음속 이상의 흐름 속에서 생성된 음파는 결코 음속 이하의 흐름에 도달할 수 없다는 현상이 '사건의 지평선'에 해당한다며, 소리의 양자인 '포논'을 모의적인 광자로 취급하여 '사건의 지평선' 근방의 광자의 운동을 관찰했습니다.

이번 실험에서는 스테인하우어 교수는 음속보다 빠른 광자와 느린 광자 쌍을 가상입자의 쌍으로 취급하여, 광자 쌍의 동작에 상관성이 있는지 여부와 호킹 복사가 시간이 지남에 따라 일정한지 여부를 확인했습니다. 이 검증에는 사진이 사용되었는데 사진 촬영시 발생하는 미세한 열이 일련의 과정에 간섭했기 때문에 스테인하우어 교수는 124일 동안 9만 7000번 실험을 반복하였고, 결국 호킹 박사가 예측한대로 '호킹 복사가 시간과 관계없이 불변'이라는 정상성을 확인했다는 것.

스테인하우어 교수는 "블랙홀은 항상 일정한 적외선을 방출하는 흑체처럼 운동할 것입니다. 이번 실험은 블랙홀도 보통의 별처럼 일종의 방사선을 지속적으로 방출하고 있다는 것을 시사하고 있습니다"라고 말합니다.