유레카! 과학자들은 안녕으로 블랙홀의 신비를 탐구합니다.

노팅엄 대학교 연구원들은 초유체 헬륨으로 이루어진 벨자 내부의 작은 소용돌이로 블랙홀을 시뮬레이션하고 있습니다.

노팅엄 대학의 별 특징 없는 복도 끝에 블랙홀 연구소라는 이름이 붙은 문이 있습니다. 내부에는 실물을 지배하는 물리 법칙을 독특하게 엿볼 수 있는 대형 하이테크 욕조에서 실험이 진행 중입니다.

이 연구실은 아날로그 중력 분야의 선구자인 Silke Weinfurtner 교수가 운영하고 있으며, 그의 연구는 지구상의 유체 시스템을 설명하는 수학과 우주에서 가장 극단적이고 접근하기 어려운 환경 사이의 놀라운 유사점을 입증했습니다.

“블랙홀을 생각하면 겁이 나기 쉽습니다. 블랙홀 주변에서 발생할 것으로 예상되는 모든 효과는 너무 기괴하고, 너무 이상하고, 너무 달라 보입니다.”라고 그녀는 말합니다. “그런 다음 '잠깐만, 내 욕조에서 일어나는 일이야'라고 스스로에게 상기시키는 것이 도움이 됩니다. 어쩌면 그다지 이상한 일은 아닐지도 모릅니다.'”

이전에 Weinfurtner 팀은 욕조 장치를 사용하여 블랙홀이 "증발"하고 결국 사라질 것으로 예측되는 과정인 호킹 복사를 조사했습니다. 그녀와 동료들은 현재 블랙홀의 행동에 대해 더욱 정교한 통찰력을 제공할 것이라고 믿는 더욱 발전된 시뮬레이터를 개발하고 있습니다.

“이러한 모든 효과는 엄청나게 아름답고 근본적으로 중요합니다.”라고 그녀는 말합니다. "예를 들어, 블랙홀은 증발합니까, 아니면 영원히 그곳에 머물게 될까요?"

기본 아이디어는 플러그홀 아래로 흐르는 유체의 흐름이 수학적 의미에서 블랙홀의 극중 중력장에 의한 시공간 자체의 휘어짐을 모방한다는 것입니다.

“물리학은 여러 곳에서 반복됩니다. 이는 매우 보편적인 수학적 모델 세트입니다. 그리고 수학이 동일하다면 물리학도 동일해야 합니다.”라고 Weinfurtner는 말합니다. “나에게 유사체는 자연이 준 선물입니다. 동일한 물리적 프로세스를 갖는 전체 클래스의 시스템이 있습니다.”

Weinfurtner는 중력장과 양자장이 상호 작용할 때 어떤 일이 일어나는지 탐구하기 위해 두 상황 사이의 유사점을 활용한다고 믿습니다. 이것은 틀림없이 지난 세기 동안 물리학의 중심 탐구였습니다. 중력 및 양자 이론은 개별적으로 잘 작동합니다. 대규모에서는 중력이 지배하는 경향이 있는 반면 원자 규모에서는 양자 효과가 지배하기 때문에 이것은 종종 우리 주변 세계를 설명하는 데 충분합니다.

그러나 매우 작은 공간에 많은 질량이 밀집되어 있는 블랙홀에서는 이러한 세계가 충돌하며 둘을 통합하는 이론적 틀이 없습니다.

Weinfurtner는 "우리는 두 가지 이론을 개별적으로 잘 이해하고 있지만 이 두 이론을 결합하는 것은 극히 어렵다는 것이 밝혀졌습니다."라고 말했습니다. "아이디어는 우리가 곡선형 시공간 기하학이라고 부르는 양자 물리학이 어떻게 작동하는지 이해하고 싶다는 것입니다."

새로운 설정에서 블랙홀은 -271C로 냉각된 초유체 헬륨 벨병 내부의 작은 소용돌이로 표현됩니다. 이 온도에서 헬륨은 양자 효과를 나타내기 시작합니다. 연속적인 속도 범위로 회전할 수 있는 물과 달리 헬륨 소용돌이는 특정 고정 값에서만 소용돌이칠 수 있습니다. 헬륨 표면을 가로질러 보내진 잔물결은 레이저와 고해상도 카메라에 의해 나노미터 정밀도로 추적되어 블랙홀에 접근하는 방사선을 나타냅니다.

Weinfurtner는 이 설정을 사용하여 초복사(superradiance)라고 알려진 현상을 조사할 계획입니다. 이는 블랙홀 근처로 들어오는 방사선(사건의 지평선을 벗어나지 않고)이 블랙홀에 있는 것보다 더 많은 에너지를 사용하여 방향을 바꿀 수 있다는 역설적인 예측입니다. 이 과정을 통해 블랙홀에서 에너지가 추출되어 블랙홀의 회전 속도가 점차 느려지게 됩니다.

이 현상은 이론적으로 예측되었으나 관찰된 적은 없었습니다. 그리고 Weinfurtner는 회전하는 블랙홀이 초유체 헬륨에서 볼 수 있는 것과 같은 양자 효과를 나타낼 수 있다고 말합니다.

시뮬레이터는 또한 LIGO 중력파 검출기에 의해 감지될 수 있는 병합 블랙홀에서 우주를 가로질러 전송되는 호킹 복사 및 중력파 신호에 대한 예측을 만드는 데 사용될 수 있습니다.