외계 문명이 블랙홀의 에너지를 이용하는 방법에 대한 검증

1969년 영국의 물리학자 로저 펜로즈는 블랙홀을 이용해 에너지를 얻을 수 있다고 제안했습니다.

그리곤 생각했습니다. 

우주 어딘가에는 블랙홀을 에너지 원으로 이용하는 고도로 발달된 문명이 있을지도 모른다고..

하지만 당시 펜로즈의 생각은 그저 이론에 불과한 것이었습니다.

그런데 얼마전에 이루어진 실험에서 펜로즈의 생각이 옳았다는 것이 증명되었습니다.

 

 

수명을 다한 거대한 별이 초신성을 겪게 되면 핵은 더 이상 자신의 중력을 견딜 수 없게 되어 무한 밀도의 1차원 지점으로 붕괴될 수 있습니다.

무한한 특이점으로 밀집된 천체, 바로 블랙홀입니다.

블랙홀의 특이점은 사건의 지평선이라는 영역 안쪽에 있습니다.

이곳의 중력은 너무나도 강력해서 빛의 속도로 이동한다고 해도 절대로 탈출할 수 없죠.

그리고 사건의 지평선 바깥쪽에는 블랙홀의 회전에 의해 시공간도 함께 끌려가고 있는데요.

이러한 현상을 틀 끌림(frame-dragging)이라고 합니다.

1969년 이론 물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 이 틀 끌림이 가장 강하게 일어나고 있는 영역인, 에르고 영역(작용권, ergosphere)에서 에너지를 추출할 수 있을 것이라고 제안했었습니다.

당시 펜로즈가 제안했던 내용은 이렇습니다.

에르고 영역에 물체를 떨어뜨린 뒤 두개로 나누어 하나는 블랙홀의 회전 방향으로 또 하나는 블랙홀의 반대 방향으로 회전시킵니다.

블랙홀의 반대 반향으로 회전하는 물체(음의 에너지)는 사건의 지평선 안쪽으로 떨어지게 놔두고, 블랙홀 방향으로 회전하는 물체는 회수합니다.

그리고 회수된 물체의 에너지를 측정해 보면 2개로 갈라지기 이전보다 더욱 큰 에너지를 확인할 수 있다는 거죠.

이때 얻을 수 있는 에너지의 양은 반대로 회전하는 물체에 의해 감소된 블랙홀의 운동량 만큼입니다.

이러한 과정을 펜로즈의 과정이라고 합니다.

하지만 안타깝게도 우리의 기술력으로 이것을 직접 시험해볼 수는 없습니다.

그러나 1971년 소련의 물리학자인 야코프 젤도비치(Yakov Zel'dovich)는 아주 기발한 아이디어를 생각해 냈는데요.

블랙홀 대신 빠르게 회전하는 금속 실런더를 준비한 뒤, 빛을 비틀어 이 실린더에 비춰보는 아이디어었죠.

그런데 여기에는 한가지 결정적인 문제가 있었습니다. 그것은 바로 실린더 장치의 회전 속도였습니다.

펜로즈의 아이디어를 검증하기 위해서는 이 실린더의 회전 속도가 적어도 초당 10억 번 정도 회전해야 된다는 겁니다.

그게 아니라면 단순히 회전하는 속도에 따라 파동이 변화하는 회전 도플러 효과를 확인하는 실험 밖에 되지 않는다는 거죠.

아쉽게도 야코프 젤도비치의 아이디어 역시 이론상으로만 가능했던 것으로 종결되었습니다.

그런데 얼마전, 드디어 이 문제가 해결되었다는 발표가 있었습니다.

이번에 이루어진 실험 역시 야코프 젤도비치의 실험에 기반을 두고 있었는데요.

과거의 실험에서 달라진 점이 하나 있다면 광파 대신 음파가 사용되었다는 점입니다.

 

연구팀은 먼저 음파를 비틀어 발사할 수 있는 링 형태의 스피커를 준비했습니다.

블랙홀 역할에는 발포재로 만들어진 회전식 흡음기가 준비되었죠.

이 흡음기는 음파가 부딪히게 되면 회전하게 되며, 시간이 흐를 수록 회전 속도는 점점 빨라지게 됩니다.

그리고 흡음기 뒷면에는 마이크를 설치하여 흡음기를 통과한 음파를 감지할 수 있게 했습니다.

이제 모든 준비가 완료되었습니다.

만약 펜로즈의 생각이 맞다면 흡음기를 통과한 음파에서 무언가 변화가 있을 겁니다.

연구팀은 음파를 이용해 흡음기의 속도를 서서히 올리기 시작했습니다.

예상했던 대로 회전 도플러 효과에 의해 음높이가 서서히 낮아지기 시작했죠.(소리(음량,볼륨)의 높이가 아닌 음의 높이(음조,피치))

회전식 흡음기의 속도가 점점 빨라질수록 음높이는 계속 낮아졌고 주파수 역시 계속 낮아져 결국 0이 되어버렸습니다.

그 순간 아주 기묘한 일이 일어나기 시작했습니다.

낮아졌던 음높이가 다시 상승하기 시작하더니 곧 원래의 수준으로 완전히 회복된 겁니다.

게다가 소리의 크기도(음량) 처음보다 30%나 더 증폭되었죠. 

쉬운 예로, 이러한 현상은 점점 멀어져 거의 들리지 않게 된 구급차의 사이렌 소리(직선 도플러 효과)가 갑자기 크게 들리는 것 처럼 아주 이상한 상황이라고 할 수 있습니다.

이러한 결과는 음(-)의 주파수로 변화된 음파가 회전하는 흡음기의 표면에서 에너지를 얻고 있다는 명백한 증거였습니다.

1971년 야코프 젤도비치가 실험으로 증명하고 싶어했던 바로 그 현상이었습니다.

이번의 실험으로 50년전 펜로즈의 생각이 옳았던 것으로 증명되었습니다.

연구팀은 이제 빛을 이용해 실험할 수 있는 방법을 연구할 예정인데요.

만약 빛을 이용해 다시 한번 입증할 수 있게 된다면, 우리는 블랙홀에 대해서 한층 더 깊게 이해할 수 있게 될겁니다.

또한 이 기묘한 현상을 활용할 수 있는 방법을 찾을 수 있다면, 우리는 더욱 진보된 문명을 이룩할 수 있을 겁니다.

그리고 그 때가 오게 된다면, 이제 우리는 펜로즈가 남긴 마지막 과제에 도전할 수 있습니다.

그것은 펜로즈가 상상했던, 블랙홀을 에너지 원으로 이용하고 있는 외계 문명의 존재를 증명하는 일입니다.

 

 

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