화이트홀

블랙홀의 거울상: 어떻게 만들 수 있고 어떻게 보일지

가설입니다. 물리학적으로는 가능하지만 아무도 본 적이 없습니다. 모든 내용은 현재 이론을 따릅니다.

단계별로

블랙홀, 거꾸로 돌리기

일반 상대성 이론의 방정식은 시간이 어느 쪽으로 흐르든 똑같이 작동합니다. 블랙홀의 이야기를 거꾸로 돌리면 화이트홀이 됩니다. 아무것도 들어갈 수 없고 물질을 밖으로 내던지는 것입니다.

블랙홀은 아무것도, 빛조차, 빠져나올 수 없는 곳입니다. 아인슈타인의 방정식은 시간의 방향을 가리지 않으므로, 거울상 해가 있습니다. 화이트홀입니다. 그곳에서는 물체가 나오고, 아무것도 들어갈 수 없습니다. 이고르 노비코프는 1964년에 그런 천체가 실제로 있을지 모른다고 제안했습니다.

멀리서 보면 둘은 비슷합니다. 화이트홀 밖의 중력은 같은 질량의 블랙홀 밖과 같아서, 빛은 그 둘레에서 똑같이 휘고 행성은 똑같이 공전할 것입니다. 차이는 가장자리에 있습니다. 블랙홀의 지평선에서는 모든 것이 들어가고, 화이트홀의 지평선에서는 모든 것이 나옵니다.

화이트홀은 한 번도 발견된 적이 없습니다. 여기 있는 것은 모두 이론입니다. 그림은 태양 열 개, 지름 59km의 블랙홀이고, 이어지는 것은 방정식이 그 거울상에 대해 말하는 것입니다.

지도 하나, 영역 넷

고립된 블랙홀에 대한 아인슈타인 방정식의 완전한 해에는 네 영역이 있습니다. 우리 우주, 블랙홀, 화이트홀, 그리고 다른 우주입니다. 화이트홀은 과거에, 블랙홀은 미래에 있습니다.

1960년 크루스칼과 세케레스는 블랙홀 주위 공간의 완전한 지도를 찾았습니다. 빛이 언제나 45도로 나아가는 도표로 그리면, 두 대각선으로 네 삼각형으로 나뉜 정사각형입니다. 우리 우주는 오른쪽에 있고 시간은 위로 흐릅니다.

우리 우주에서 떨어지는 것은 위쪽 영역, 블랙홀로 넘어갑니다. 화이트홀에서 지금까지 나온 것은 모두 아래쪽 영역, 과거에서 나왔습니다. 우리 우주의 어떤 것도 화이트홀로 들어갈 수 없습니다. 그것은 시간을 거슬러 가는 일이기 때문입니다.

붕괴하는 별이 만든 블랙홀에는 화이트홀 영역이 없습니다. 별의 표면이 지도를 자르고, 화이트홀과 두 번째 우주는 거기에 결코 없습니다. 그래서 화이트홀에는 어떻게 생길 수 있는지에 대한 자기만의 이야기가 필요합니다.

어떻게 만들 수 있을까

알려진 어떤 것도 화이트홀을 만들지 못합니다. 한 가지 생각: 붕괴하는 별이 양자 중력이 허용하는 가장 밀도 높은 상태에 이르러 튀어 오르고, 블랙홀이 화이트홀이 됩니다. 튀어 오름은 그린 것입니다.

아인슈타인의 이론은 블랙홀 속 물질이 밀도가 무한한 한 점으로 붕괴한다고 말하는데, 그것을 믿는 사람은 거의 없습니다. 중력과 양자 물리를 잇는 시도의 하나인 고리 양자 중력은 공간을 어떤 최소 크기 아래로 짜부라뜨릴 수 없다고 하므로, 붕괴가 멈추고 튀어 오릅니다. 플랑크 별입니다.

다른 생각은 더 오래되었습니다. 노비코프는 1964년에 초기 우주의 일부 영역이 팽창에 뒤처졌다가 늦게 화이트홀로 터져 나왔을지 모른다고 제안했습니다. 로벨리와 비도토는 2018년에 증발한 블랙홀의 작은 잔해가 화이트홀이어서 암흑 물질의 일부를 이룰 수 있다고 주장했습니다. 어느 쪽도 관측된 적이 없습니다.

마지막 천분의 일 초

별이 블랙홀로 붕괴할 때 그 표면은 멀리서 보면 지평선을 향해 기어가며 붉어지고, 태양 열 개의 경우 4분의 1밀리초마다 e분의 1씩 어두워집니다(에임스와 손, 1968년). 거꾸로 돌리면 열리는 화이트홀입니다. 어두운 원반, 그다음 밝아지며 청백색이 되는 희미한 붉은 빛입니다.

이것은 정확한 해로, 먼지 공의 붕괴를 거꾸로 돌린 것입니다(오펜하이머와 스나이더, 1939년). 별의 표면은 그림자에서 나올 것이며, 처음엔 지평선 바로 위에서, 그다음 점점 더 높이, 그림자 전체가 빛으로 가득 찰 때까지 나옵니다.

그러니 그림자는 오래 검지 않습니다. 갇혔을 빛이 화이트홀에서는 나올 수 있습니다. 이 단계의 모든 부분은 방정식으로 그린 것입니다. 이와 비슷한 것을 본 사람은 없습니다.

오래 가지 못합니다

화이트홀에는 아무것도 떨어질 수 없지만, 가까운 모든 것이 시도합니다. 1974년 어들리는 그것을 향해 떨어지는 빛이 가장자리에 쌓이고, 한없는 에너지를 얻어 그것을 블랙홀로 바꿀 것임을 보였습니다.

화이트홀의 지평선은 떠날 수만 있고 반대 방향으로는 결코 넘을 수 없습니다. 하지만 바깥의 물질과 빛은 여전히 그 중력에 끌려 그쪽으로 움직이며 들어가지 못합니다. 그래서 지평선에 모입니다. 닫힌 차단기 앞의 차량처럼.

화이트홀에서 나오는 물질의 관점에서 보면, 늦게 도착한 이 무리는 짓눌리고 한없이 청색 편이됩니다. 더글러스 어들리는 1974년에 아주 약한 유입도 화이트홀을 블랙홀로 붕괴시킬 만큼의 에너지를 가진다는 것을 보였습니다. 같은 해 젤도비치, 노비코프, 스타로빈스키는 양자 효과에서 오는 두 번째 불안정성을 찾아냈습니다.

그래서 영원한 화이트홀은 기대되지 않습니다. 하나가 생긴다면 수명이 짧을 것입니다. 여기 그려진 연한 파란 껍질은 떨어지는 빛을 나타내며, 볼 수는 없습니다.

직접 만들 수 있는 화이트홀

파도를 위한 화이트홀은 만들 수 있습니다. 2011년 바인푸르트너와 동료들은 물 수로에서 빠른 흐름에 거슬러 파도를 보냈습니다. 흐름이 파도를 앞지르는 곳에서 파도는 멈췄습니다. 화이트홀의 가장자리에서 빛이 그렇듯이.

물 위의 파도는 길이에 따라 정해지는 속도로 나아갑니다. 매끄러운 언덕 위로 물을 더 빠르게 흘리면, 흐름을 거슬러 가는 긴 파도는 흐름이 그 속도와 같아질 때까지 느려집니다. 거기서 파도는 더 나아가지 못합니다. 파도가 넘을 수 없는 가장자리, 빛에게 화이트홀의 지평선과 같은 것입니다.

그 가장자리에서 긴 파도는 짧은 파도로 바뀝니다. 화이트홀에서 빛에 일어나는 일의 유사물입니다. 질케 바인푸르트너의 팀은 2011년에 이를 측정했고(피지컬 리뷰 레터스), 그 변환이 호킹 복사에서 예측되는 열적 성질을 가짐을 발견했습니다. 루소와 동료들은 2008년에 수조에서 비슷한 변환을 본 적이 있었습니다.

진짜 화이트홀은 아닙니다. 중력도 빛도 없고 물뿐입니다. 하지만 수학은 같아서, 이런 수조가 블랙홀과 화이트홀에 대한 생각을 시험하는 데 쓰입니다. 여기의 파도와 흐름은 그린 것입니다.

빅뱅은 화이트홀이었을까?

가장 큰 규모에서 빅뱅은 화이트홀처럼 보입니다. 한 점에서 물질이 터져 나오는 것입니다. 일부 물리학자들은 우리 우주가 튀어 오른 블랙홀의 내부라고 생각합니다. 튀어 오름은 그린 것입니다.

붕괴하는 먼지 공의 내부는 거꾸로 돌린 닫힌 우주입니다. 오펜하이머와 스나이더가 1939년에 발견했습니다. 대신 앞으로 돌리면 공은 한 점에서 시작하는 팽창하는 우주, 빅뱅입니다. 둘은 같은 수학이며, 서로의 거울상입니다.

1972년 라즈 파스리아는 우리 우주가 더 큰 우주 안의 블랙홀 내부일지 모른다고 제안했습니다. 니코뎀 포플라프스키는 2010년에 스핀과 비틀림이 모든 블랙홀 내부에서 붕괴를 멈추고 새로운 팽창하는 우주로 튀어 오르게 한다는 버전을 제안했습니다.

이것들은 생각이지 결과가 아닙니다. 우리가 측정할 수 있는 어떤 것도 이를 표준 빅뱅과 구별하지 못하며, 실제 우주는 한 곳에서 터져 나오는 것이 아니라 모든 곳에서 동시에 팽창합니다.

누가 본 적이 있을까요?

아니요. 아주 작은 화이트홀이 지금 빠른 전파 폭발로 번쩍이고 있거나 암흑 물질로 숨어 있을지 모른다는 생각은 있지만, 어떤 신호도 그 하나와 연결되지 않았습니다. 화이트홀은 방정식 속에 머물러 있습니다.

바로, 로벨리, 비도토는 2014년에 초기 우주에서 생긴 블랙홀이 오늘 화이트홀로 튀어 오르며 전파 폭발을 내놓을 수 있다고 제안했습니다. 기원을 모르는 밀리초의 섬광인 빠른 전파 폭발은 그들의 추정에서 멀지 않은 파장을 가집니다. 이는 그 원인에 대한 추측일 뿐, 뒷받침하는 증거는 없습니다.

로벨리와 비도토는 2018년에 작은 블랙홀이 다 증발하고 남는 플랑크 크기의 화이트홀이 암흑 물질의 일부를 이룰 수 있다고 주장했습니다. 그런 천체는 너무 작아 직접 볼 수 없을 것입니다.

그러니 화이트홀은 시작된 곳에 있습니다. 방정식 속의 거울상이며, 그것을 필요로 하는 관측은 없고, 오래 가지 못할 수 있는 강한 이유가 있습니다. 수조는 수학이 옳음을 보여 줍니다. 자연이 하나라도 만드는지는 아직 열려 있습니다.