블랙홀로 폭탄을 만드는 법

이번 시간에 우리는 블랙홀로 폭탄을 만들 것이다. 그런데 일단 만들기 전 알아둬야 하는 것이 몇 가지 있다. 원리를 알고 싶지 않고 어떻게 만드는지만 알고 싶다면 아래로 넘겨 결론부터 보자.

블랙홀로 폭탄을 만드는 것은 사실 쉽지 않다. 그 이유는 간단하다. 블랙홀 속에서는 에너지를 뺏어오지 못한다. 블랙홀에서의 에너지 출입은 일방적이다: 외부에서 내부로의 에너지 흐름만이 존재한다. 그러면 도대체 어떻게 이것을 가지고 폭탄을 만들까? 폭탄은 내부에서 외부로의 에너지 흐름을 요구하지 않는가? 이 불가능한 작업은 하나의 간단한 이유로써 가능해진다: 블랙홀들은 돈다.

블랙홀이 도는 이유

블랙홀은 매우 질량이 큰 항성들이 수명이 다했을 때 붕괴하여 만들어진다. 그런데, 우리의 태양을 포함한 대부분의 항성들은 자전을 하고 있다. 블랙홀로 변하면서 항성의 반지름이 줄어들면 피겨스케이팅 선수가 다리를 접어 빨리 돌 듯 항성의 각속도가 빨라진다. 보통 블랙홀이 되면서 반지름이 20-30만 배가 줄어드는 것을 보면 각속도가 얼마나 빨라질지 짐작할 수 있다. 어떠한 블랙홀들은 1초에 몇 백만 번씩 회전한다.

회전하는 블랙홀이 특별한 이유

회전하는 블랙홀은 그냥 블랙홀과 다른 여러 가지 특징을 가진다.

이러한 블랙홀의 특성 중 가장 쓸모 있는 특성은 바로 작용권(Ergosphere) 의 존재이다.

작용권(Ergosphere)

작용권은 틀 끌림에 의해서 형성된다. 틀 끌림이란 질량이 매우 큰 물체가 회전하면 발생하는 중력 효과로 주변의 시공간도 따라서 회전한다는 것이다. 블랙홀은 질량이 매우 크기 때문에 이 현상이 강력하게 나타난다. 이때 블랙홀이 충분히 빨리 돌고 있으면 블랙홀 주위로 시공간이 빛보다 빠르게 회전하는 공간이 존재하게 된다. 이 공간을 작용권이라고 부르고, 이는 회전하는 타원체 모양을 하고 있으며, 블랙홀의 자전축에서 사건의 지평선과 접한다.

작용권(Ergosphere)

이 안에 있는 공간은 빛보다 빠른 속도로 끌려가기 때문에 외부관찰자가 보게 된다면 그 안에 있는 물체가 절대로 멈춰 있는 것처럼 보일 수 없다. 작용권 바깥쪽의 경계는 정지 한계(stationary limit)라고 불린다. 정지 한계에서는 바깥에서 보기에는 공간이 광속으로 끌려가고, 광속으로 움직이는 물체는 정지해있다. 이 경계의 외부도 블랙홀을 향해 끌려가지만, 광속보다는 느리게 끌려간다.

작용권에서 에너지 뺐기

작용권에 들어간 물체는 다시 바깥으로 나올 수 있다면 가지고 들어간 에너지보다 훨씬 많은 양의 에너지를 갖고 나오게 된다. 이는 블랙홀의 작용권에 들어가서 쓸모없는 것을 안으로 던져버린 후에 엄청난 에너지를 획득한 후에 다시 작용권을 탈출하는 방식으로 실현될 수 있고, 이 과정을 펜로즈 과정이라고 부른다.

펜로즈 과정

이를 사용하면 최대 효율이 120.7% 이고, 오랜 기간 작동시키면 블랙홀의 전체 에너지의 29%를 가져올 수 있다고 한다. 하지만 펜로즈 과정보다 훨씬 만들기 쉽고 효율도 훨씬 좋은 다른 방법이 있다. 바로 초광도 산란(Superradiance Scattering)을 이용한 빛의 증폭효과이다. 우리가 해야 되는 일은 블랙홀을 거울로 둘러싸고 빛 한 가닥을 쏘아주면 된다. 그러면 빛이 계속 작용권의 에너지를 뺏어서 진폭을 증가시켜 우리에게 공급해줄 것이다.

D.I.Y 블랙홀 폭탄/발전기 만들기

준비물: 작은 크기의 회전하는 블랙홀 1개, 커다란 철 재질의 운석 하나, 레이저 포인터 1개

폭탄 만들기

1. 블랙홀을 태양계에 중력적인 영향을 미치지 않도록 적당한 거리에 위치시킨다.

2. 운석에서 철을 채취해서 두께가 10cm정도인 거울로 만든다.

3. 거울로 구멍이 없게 블랙홀을 둘러싼다. (이 정도의 거울이면 블랙홀을 둘러싸기 충분하다.)

4. 거울 하나를 뺀 다음에 레이저 포인터로 빛을 비춰준다.

5. 재빨리 거울을 닫고 도망가서 태양계와 그 주변 모든 것을 없애 버리는 폭발을 지켜본다.

발전기 만들기

1. 폭탄 만들기의4번까지 따라한다.

2. 거울을 닫지 말고 에너지가 세어 나올 수 있도록 계속 열어 놓자.

3. 인류가 멸망하기 전까지 쓰고도 남을 에너지를 만끽한다.

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<참고자료>

[1] https://www.youtube.com/watch?v=ulCdoCfw-bY

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_black_hol

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_bomb

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Penrose_process

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Ergosphere

<이미지>

[1] wikipedia

[2] google image

Physics 학생기자 예상우

2019년 가을호

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