원시 블랙홀의 흔적을 찾아서

우리가 흔히 상상하는 블랙홀은 거대한 별이 연료를 소진하고 스스로 붕괴하여 형성되는 천체입니다.

하지만 초기 우주의 혼란스러운 조건은 첫 번째 별이 탄생하기도 전에 많은 작은 블랙홀이 형성될 수 있는 환경을 제공했을 것으로 추측됩니다.

 

이러한 원시 블랙홀은 수십 년 동안 이론적으로 제시되어 왔으며, 심지어 우주 질량의 85%를 차지하는 보이지 않는 물질인 암흑 물질의 후보로도 거론되곤 합니다.

하지만 아직까지 단 한 번도 관측된 적이 없습니다.

버펄로 대학교가 주도한 새로운 연구는 원시 블랙홀의 존재를 확인하기 위해 거시적인 관점과 미시적인 관점을 모두 고려할 것을 제안합니다.

연구팀은 우주 공간의 거대한 암석 같은 천체 내부에 갇힌 원시 블랙홀이 액체 핵을 흡수하여 속이 빈 천체를 남길 수 있다고 추측합니다.

 

또한, 더 빠른 원시 블랙홀은 지구상의 암석, 금속, 유리 등의 고체 물질을 통과하면서 현미경으로 관찰 가능한 직선형 터널을 남길 수도 있습니다.

이 연구의 공동 저자인 데얀 스토이코비치 교수는 "이러한 흔적을 찾을 확률은 낮지만, 그렇다고 많은 자원을 필요로 하는 것도 아닙니다.

만약 원시 블랙홀의 첫 번째 증거를 발견한다면 그 영향은 엄청날 것입니다."라고 말했습니다.

"우리는 기존의 방식으로는 원시 블랙홀을 찾을 수 없었기 때문에, 새로운 관점에서 생각해야 합니다."라고 덧붙였습니다.

우주의 속이 빈 천체와 지구 내부의 흔적

연구팀은 스스로 붕괴되지 않고 존재할 수 있는 속이 빈 천체의 크기를 계산하고, 원시 블랙홀이 지구 내부의 물체를 통과할 가능성을 분석했습니다.

연구팀은 원시 블랙홀이 인체를 통과하더라도 치명적이지 않을 것으로 결론지었습니다.

공동 저자인 데-창 다이 교수는 "이러한 낮은 확률 때문에 우리는 수천, 수백만, 심지어 수십억 년 동안 존재해 온 견고한 흔적에 초점을 맞췄습니다."라고 말했습니다.

 

스토이코비치 교수의 연구는 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받았으며, 다이 교수의 연구는 대만 국립과학기술위원회(NSTC)의 지원을 받았습니다.

빅뱅 이후 우주가 급팽창하면서 우주 공간의 일부 영역은 주변보다 밀도가 높아져 붕괴하여 원시 블랙홀을 형성했을 가능성이 있습니다.

원시 블랙홀은 나중에 죽어가는 별이 형성하는 항성 블랙홀보다 질량이 훨씬 작지만, 여전히 원자 크기의 영역에 산의 질량이 압축된 것처럼 극도로 밀도가 높습니다.

이론적인 웜홀을 찾을 수 있는 곳을 제안한 적이 있는 스토이코비치 교수는 원시 블랙홀이 행성, 위성, 소행성 내부에 포획되어 형성되었거나 포획된 후에 존재할 수 있는지 궁금해했습니다.

스토이코비치 교수는 "만약 천체가 액체 중심핵을 가지고 있다면, 포획된 원시 블랙홀은 외부의 고체층보다 밀도가 높은 액체 중심핵을 흡수할 수 있습니다."라고 말합니다.

 

그런 다음 원시 블랙홀은 천체가 소행성과 충돌하면 천체에서 탈출하여 속이 빈 껍질만 남길 수 있습니다.

하지만 이러한 껍질은 스스로를 지탱할 만큼 강할까요, 아니면 자체적인 장력으로 붕괴될까요? 연구팀은 화강암과 철과 같은 천연 물질의 강도를 표면 장력과 표면 밀도와 비교하여 이러한 속이 빈 천체가 지구 반지름의 10분의 1 이하일 수 있음을 계산했습니다.

이는 행성보다는 소행성일 가능성이 더 높습니다.

원시 블랙홀의 흔적을 찾는 새로운 접근법

이러한 속이 빈 천체는 망원경으로 관측될 수 있습니다.

질량과 밀도는 천체의 궤도를 연구함으로써 결정할 수 있습니다.

스토이코비치 교수는 "만약 천체의 밀도가 크기에 비해 너무 낮다면, 그것은 속이 비어 있다는 좋은 증거입니다."라고 말합니다.

 

액체 핵이 없는 천체의 경우, 원시 블랙홀은 단순히 통과하여 직선형 터널을 남길 수 있습니다.

예를 들어, 질량이 10^22 그램인 원시 블랙홀은 0.1 마이크론 두께의 터널을 남길 것입니다.

큰 금속 판이나 다른 재료는 이러한 터널의 갑작스러운 출현을 모니터링함으로써 효과적인 블랙홀 검출기 역할을 할 수 있지만, 스토이코비치 교수는 수백 년 된 건물부터 수십억 년 된 암석까지 매우 오래된 물질에서 기존 터널을 찾는 것이 더 나은 방법이라고 말합니다.

 

하지만 암흑 물질이 실제로 원시 블랙홀로 구성되어 있다고 가정하더라도, 10억 년 된 바위를 통과하는 원시 블랙홀의 확률은 0.000001입니다.

스토이코비치 교수는 "비용 대비 효익을 생각해야 합니다.

이렇게 하는 데 많은 비용이 드나요? 아닙니다."라고 말합니다.

따라서 당신의 생애 동안 원시 블랙홀이 당신을 통과할 가능성은 매우 낮습니다.

설사 그렇게 되더라도, 당신은 아마 그것을 느끼지 못할 것입니다.

암석과 달리 인체 조직은 약간의 장력을 가지고 있기 때문에 원시 블랙홀이 그것을 찢어버리지는 않을 것입니다.

그리고 원시 블랙홀의 운동 에너지는 엄청나지만, 너무 빠르게 움직이기 때문에 충돌 중에 많은 에너지를 방출할 수 없습니다.

스토이코비치 교수는 "물체가 매질을 음속보다 빠르게 통과하면 매질의 분자 구조는 반응할 시간이 없습니다.

돌을 창문에 던지면 창문이 깨질 가능성이 높습니다.

총으로 창문을 쏘면 구멍만 남을 가능성이 높습니다."라고 말합니다.

 

스토이코비치 교수는 이러한 이론적 연구가 중요하다고 말하며, 한때 비현실적으로 보였던 많은 물리적 개념이 이제는 가능성이 있는 것으로 여겨진다고 지적합니다.

스토이코비치 교수는 이 분야가 현재 암흑 물질을 포함한 몇 가지 심각한 문제에 직면해 있다고 덧붙였습니다.

마지막 주요 혁명인 양자역학과 일반 상대성 이론은 100년 전의 것입니다.

그는 "지구상에서 가장 똑똑한 사람들이 80년 동안 이 문제들을 해결하려고 노력했지만 아직 해결하지 못했습니다.

우리는 기존 모델의 단순한 확장이 필요한 것이 아니라 완전히 새로운 프레임워크가 필요합니다."라고 말합니다.