Regular Black Hole Formation and Gamma-Ray Burst from Matter Conversion

우주의 건설 현장: 별이 붕괴하며 노래할 때

우주를 중력이 궁극적인 현장 소장 역할을 하는 거대한 우주적 건설 현장이라고 상상해 보십시오. 때때로 거대한 별은 연료가 바닥나 자신의 무게를 견디지 못하고 스스로를 지탱할 수 없게 됩니다. 별은 안으로 붕괴하기 시작하며 점점 더 작게 줄어듭니다. 표준 물리학의 이야기에서 이 붕괴는 영원히 계속되어 모든 물질을 '특이점(singularity)'이라 불리는 단 하나의 무한히 밀도가 높은 점으로 압착합니다. 이것을 마치 건물이 너무 작아서 물리 법칙을 깨뜨려 버리는 먼지 한 점으로 붕괴하여, 현재의 규칙들이 더 이상 작동하지 않는 장소를 만드는 것과 같다고 생각해 보십시오. 이것이 우리가 흔히 듣는 '블랙홀'입니다. 빛조차도 탈출할 수 없을 만큼 무거운 공간의 영역입니다.

하지만 많은 과학자는 자연에 일종의 안전 스위치가 있을지도 모른다고 의심합니다. 그들은 물질이 그 불가능한 작은 점으로 으깨지기 직전에, 내부의 물질이 성격(personality)을 바꿀 수도 있다고 궁금해합니다. 수학적 오류가 되는 대신, 중력에 저항하는 새로운 이색적인 상태로 변하여, 부서진 점 대신 매끄럽고 밀도가 높은 핵을 가진 '일반적인(regular)' 블랙홀을 만들 수도 있다는 것입니다. 중요한 질문은 이것입니다. 만약 이러한 변형이 일어난다면, 그것은 어둠 속에서 조용히 일어날까요, 아니면 요란한 장면을 만들어낼까요? 만약 별이 이 새로운 종류의 물질로 변하고 있다면, 에너지를 반드시 어딘가로 방출해야 합니다. 그 에너지가 빛의 번쩍임으로서 우주로 뿜어져 나올 수 있을까요? 이것이 비탈리 베르토그라도프(Vitalii Vertogradov), 잔나 쿠즈네초바(Zhanna Kuznetsova), 그리고 유 시(Yu Shi)의 새로운 논문이 해결하고자 하는 미스터리입니다. 그들은 이 '안전한' 블랙홀의 탄생이 우주에서 가장 눈부신 폭발 중 하나인 감마선 폭발(Gamma-Ray Bursts)의 비밀스러운 엔진이 될 수 있는지를 묻고 있습니다.

논문의 이야기: 별의 거대한 변형

이 논문의 저자들은 거대한 별이 죽을 때 어떤 일이 일어나는지에 대한 극적인 시나리오를 제안합니다. 그들은 별이 붕괴함에 따라, 별을 구성하는 일반적인 물질(바리온 물질)이 단순히 특이점으로 찌그러지는 것이 아니라고 제안합니다. 대신, 결정적인 순간에 그것은 마치 물이 갑자기 얼음으로 변하는 것과 비슷하지만 훨씬 더 극단적인 '상전이(phase transition)'를 겪습니다. 그것은 중력에 저항하여 위험한 특이점 형성을 막는 진공처럼 작동하는 새로운 유형의 '이색적인(exotic)' 물질로 변합니다.

여기에는 함정이 있습니다. 결과(consequences) 없이 물질을 그냥 바꿀 수는 없습니다. 이러한 변형이 일어날 때, 에너지는 반드시 어딘가로 가야 합니다. 저자들은 이 전환이 방사(radiation)의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출한다고 계산했습니다. 만약 이 과정이 블랙홀의 '사건의 지평선'(돌아올 수 없는 지점)이 내부를 완전히 봉쇄하기 전에 일어난다면, 이 에너지의 일부는 탈출할 수 있습니다. 논문은 이 탈출하는 에너지가 우주에서 가장 밝은 사건 중 하나인 눈부신 고에너지 빛의 번쩍임, 즉 감마선 폭발(GRB)과 똑같이 보일 수 있다고 제안합니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해, 연구팀은 이러한 '일반적인(regular)' 블랙홀에 대한 세 가지 유명한 수학적 모델인 디므니코바(Dymnikova), 헤이워드(Hayward), 바르데엔(Bardeen) 모델을 살펴보았습니다. 그들은 붕괴하는 별을 샌드위치처럼 다루었습니다. 안쪽은 특이점을 방지하는 새로운 이색적 물질이고, 바깥쪽은 여전히 붕괴 중인 일반적인 물질입니다. 그들은 정확히 어디에서 '속재료'(새로운 물질)가 '빵'(기존의 물질)과 만나는지 파악했고, 그 전이 구역에서 얼마나 많은 방사 에너지가 방출되는지 계산했습니다.

연구 결과:
연구팀은 수학적으로 성립한다는 것을 발견했습니다. 일반적인 물질에서 이 새로운 특이점 방지 물질로의 전환은 실제로 거대한 방사 폭발을 일으킵니다. 실제로 방출되는 에너지의 양은 우리가 목격한 가장 강력한 감마선 폭발과 맞먹는 수준인 약 $10^{55}$ erg s$^{-1}$에 달할 수 있습니다.

하지만 이것이 작동하기 위해서는 엄격한 조건이 있습니다. 방사 에폭이 우리가 하늘에서 보는 것만큼 밝으려면, '새로운' 블랙홀이 표면 근처에서 표준적인 블랙홀과 너무 다르면 안 됩니다. 저자들은 특이점을 막는 '일반화(regularizing)' 효과들, 즉 기묘한 물리학적 효과들이 블랙홀의 바깥쪽 가장자리 근처에서는 매우 약해야 한다고 보여줍니다. 만약 이 효과들이 너무 강했다면, 블랙홀은 표준적인 종류와 너무 다르게 보였을 것이고, 에너지 방출량 또한 관측값과 일치하지 않았을 것입니다.

"스윗 스팟(Sweet Spot)" 숫자들:
논문은 이 블랙홀들이 데이터를 충족하면서 얼마나 '일반적(regular)'일 수 있는지 숫자를 산출했습니다. 그들은 디므니코바 모델의 경우, 새로운 핵의 크기를 설명하는 매개변수가 블랙홀 질량의 약 $5.747 \times 10^{-1}$배가 되어야 한다는 것을 발견했습니다. 헤이워드와 바르데엔 모델의 경우, 이 매개변수는 훨씬 더 작아야 하며, 질량의 약 $1.633 \times 10^{-2}$배 정도여야 합니다.

이것이 쉬운 영어로 무엇을 의미할까요? 이는 만약 이러한 일반적인 블랙홀이 존재한다면, 그것들은 우리가 이미 알고 있는 표준적인 블랙홀과 거의 똑같이 보인다는 것을 의미합니다. 그들의 바깥쪽 가장자리(사건의 지평선)는 표준 예측과 아주 미세하게 다를 뿐입니다. 예를 들어, 질량이 태양의 10배($10 M_{\odot}$)인 블랙홀의 경우, 외부 지평선은 표준 슈바르츠칠트 반지름의 약 $1.9999$배인 약$29.53$ 킬로미터 지점에 있을 것입니다. 그 차이는 농구공 위에 놓인 머리카락 두께를 측정하는 것만큼이나 미미합니다.

이것이 배제하는 것:
논문은 명시적으로, 이 일반적인 블랙홀들이 표준적인 것들과 크게 다르면서도 우리가 보는 감마선 폭발을 만들어낼 수 있다는 아이디어에 반박합니다. 만약 '일반화' 효과가 강했다면(즉, 블랙홀이 표준적인 유형과 매우 다르게 보였다면), 수학적으로 방사 에너지는 관측된 감마선 폭발과 일치할 만큼 밝지 않았을 것입니다. 따라서 만약 이 이론이 옳다면, 우주는 이 이색적인 핵들을 일반적인 블랙홀과 거의 똑같이 보이는 매우 얇은 베일 뒤에 숨기고 있는 셈입니다.

얼마나 확신하는가?
저자들은 이것을 "가능한 메커니즘"이라고 부르며 신중을 기하고 있습니다. 그들은 일반적인 블랙홀을 직접 관측하거나, 모든 세부 사항을 담아 슈퍼컴퓨터로 전체 붕괴 과정을 시뮬레이션한 것이 아닙니다. 대신, 그들은 수학적 모델을 사용하여 에너지 방출이 일어날 수 있고, 그 밝기가 알려진 폭발과 일치할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 이 과정이 감마선 폭발에 대한 타당한 설명이 될 수 있다고 제 제안하지만, 이는 더 많은 작업이 필요한 가설로 남아 있습니다. 그들은 자신들의 모델이 하나의 "첫 단계"이며, 아직 빛의 정확한 색 스펙트럼이나 별의 회전이 어떤 변화를 줄지에 대해서는 밝혀내지 못했다고 인정합니다.

요약하자면, 이 논문은 생생한 그림을 그려냅니다. 죽어가는 별은 스스로가 부서진 특이점이 되는 것을 피하기 위해 새로운 종류의 물질로 변함으로써 자신을 구하고 있을지도 모르며, 그 과정에서 찰나의 순간 동안 우주를 밝힐 만큼 눈부신 우주적 파티를 벌인다는 것입니다. 하지만 이 파티가 성립하려면, 그 파티가 열리는 방은 우리가 알고 있던 방과 거의 똑같이 생겨야만 합니다.