Decoupled asymmetric thin-shell wormholes

우주를 단순히 별과 은하가 놓인 무대가 아니라, 접히고 늘어나며 심지어 뚫릴 수도 있는 하나의 직물로 상상해 보십시오. 중력이 시공간을 어떻게 형성하는지를 설명하는 일반 상대성 이론의 영역에는, '웜홀'이라 불리는 이론적 가능성이 존재합니다. 이를 우주의 먼 두 지점을 연결하여 광활한 우주를 가로지르는 지름길을 제공하는 터널이라고 생각해 보십시오. 수십 년 동안 물리학자들은 이러한 터널을 열린 상태로 유지하고 통과 가능하게 만들려면 매우 기이한 종류의 물질이 필요하다는 것을 알고 있었습니다. 이 물질은 돌이 떨어지거나 별이 빛나는 방식과 같은 일반적인 물질의 거동 법칙을 거스르며, 중력에 맞서 바깥쪽으로 밀어내는 힘을 가져야 합니다. 이러한 요구 사항은 하나의 수수께끼를 만들어냅니다. 아인슈타인의 방정식에 따른 수학은 이러한 터널의 존재를 허용하지만, 이를 구축하는 데 필요한 물리적 물질은 자연이 다른 모든 곳에서 따르는 기본적인 에너지 조건을 위반하는 것처럼 보이기 때문입니다.

이러한 기이한 구조를 불가능한 영역에 빠지지 않고 연구하기 위해, 과학자들은 종종 '얇은 껍질 웜홀(thin-shell wormhole)'이라는 단순화된 모델을 사용합니다. 연속적이고 기이한 물질로 터널을 만드는 대신, 그들은 두 개의 분리된 공간 영역을 잘라내어 특정 경계에서 서로 붙이는 방식을 상상합니다. 마치 두 조각의 천을 꿰매는 것과 같습니다. 이들이 만나는 '솔기'가 바로 웜홀의 목(throat)이 됩니다. 이 솔기는 기이한 물질이 존재하는 곳이며, 그 양옆의 나머지 우주는 정상적인 상태를 유지합니다. 이러한 접근 방식은 터널의 전체적인 형태와 이를 유지하는 물질의 구체적인 특성을 분리함으로써, 복잡한 문제를 관리 가능한 문제로 바꾸어 줍니다. 그렇다면 질문은 이것입니다. 만약 터널의 양쪽이 서로 동일하지 않다면 어떤 일이 벌어질까요? 한쪽은 표준적인 빈 공간이고, 다른 한쪽은 숨겨진 힘에 의해 미묘하게 변형된 공간이라면 어떨까요?

최근 한 연구팀은 바로 이 시나리오를 탐구하여, 양쪽이 근본적으로 다른 웜홀을 구축했습니다. 한쪽에는 카를 슈바르츠칠트(Karl Schwarzschild)의 고전적인 방정식으로 설명되는, 아무것도 탈출할 수 없을 만큼 밀도가 높은 영역인 표준 블랙홀을 배치했습니다. 다른 한쪽에는 '중력 디커플링(gravitational decoupling)'이라는 특정 이론적 기법에 의해 변형된 동일한 버전의 블랙홀을 사용했습니다. 이 기법을 통해 물리학자들은 총 질량이나 시간의 흐름과 같은 가장 기본적인 특징을 바꾸지 않으면서도 알려진 해(solution)에 새로운 복잡성을 추가할 수 있습니다. 이 특정 구성에서 변형은 스칼라 장(scalar field), 즉 보이지 않는 에너지와 전자기장의 상호작용에 의해 발생했습니다. 연구진은 수학적 오류인 허수를 피하고 물리학이 '실수(real)'로서 잘 작동하는 버전을 선택했습니다. 그 결과, 멀리서 보면 질량과 시간 흐름 측면에서 외관상 동일해 보이지만, 한쪽 입구 내부의 공간은 다른 쪽과 미묘하게 다른 터널이 만들어졌습니다.

연구팀은 이 비대칭성이 매혹적인 힘의 균형을 만들어낸다는 것을 발견했습니다. 터널을 열어두기 위해 필요한 총 에너지를 계산했을 때, 그들은 솔기의 기이한 물질과 변형된 쪽의 터널을 채우고 있는 기이한 에너지 사이의 정밀한 수학적 관계를 찾아냈습니다. 표준적이고 대칭적인 버전의 웜홀에서는 기이한 물질이 항상 음(-)의 값을 가지며, 이는 일반적인 에너지 규칙을 위반함을 의미합니다. 그러나 이 새로운 비대칭 설정에서는, 변형이 충분히 강력하다면 변형된 쪽의 양(+)의 반경 방향 널 에너지(radial null energy)가 솔로의 음의 에너지를 상쇄할 수 있다는 것을 연구진은 발견했습니다. 이는 시스템 전체를 하나의 관점에서 보았을 때, 솔 자체는 여전히 기이한 물질을 필요로 하고 접선 방향 에너지 조건은 여전히 위반되더라도, 전체 시스템은 양의 반경 방향 널 에너지를 갖게 된다는 것을 의미합니다. 이는 마치 터널의 한쪽 측면에 숨겨진 복잡성이 다른 쪽을 안정시키기 위한 필요한 밀어내는 힘을 제공하여, 기이함을 제거하는 것이 아니라 재분배하는 것과 같습니다.

이러한 균형은 웜홀의 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 웜홀은 무언가가 통과하려고 할 때 곧바로 붕괴하지 않아야만 유용합니다. 연구진은 웜홀의 목의 안정성이 솔과 주변 공간 사이의 특정 운동량 흐름에 달려 있음을 보여주었습니다. 대칭적인 경우, 터널은 솔의 물질이 매우 특수하고 흔치 않은 방식으로 행동하지 않는 한 종종 불안정합니다. 하지만 그들의 비대칭 모델에서는 변형이 규칙을 바꿉니다. 그들은 웜홀이 안정적인 상태를 유지하는 조건의 범위가 실제로 더 넓으며, 터널이 안정에서 불안정으로 전환되는 지점이 블랙홀 근처에서 빛이 보통 궤도를 도는 영역의 더 깊은 중심부로 이동한다는 것을 발견했습니다. 그러나 그들은 또한 이 확장된 안정 영역이 껍질이 일반적인 물질처럼 행동하는 전통적인 안정 구간에는 결코 도달하지 못하며, 여전히 더 기이한 반응에 국한되어 있다는 점에도 주목했습니다. 이는 숨겨진 힘이 대칭적인 경우보다 웜홀을 특정 섭동에 대해 더 견고하게 만들지만, 모든 표준적인 조건 하에서 안정하게 만드는 것은 아니라는 점을 시사합니다.

연구는 또한 이 웜홀이 회전한다면 어떻게 될지에 대해서도 조사했습니다. 실제 블랙홀처럼 회전하는 모델을 포함하도록 모델을 확장함으로써, 그들은 각운동량(시스템의 스핀)이 솔과 변형된 공간 사이에 어떻게 공유되는지를 정확히 계산할 수 있었습니다. 그들은 솔이 전체 스핀의 특정 부분을 운반하는 회전하는 유체처럼 작동하며, 나머지는 변형된 공간 자체가 운반한다는 것을 발견했습니다. 이 분포는 두 측면이 만나는 지점에서의 변형 강도에 의해 완전히 결정되는 고정되고 정밀한 값입니다. 나아가, 그들은 이렇게 회전하며 흔들리는 웜홀이 방출할 중력파를 추정했습니다. 만약 터널의 목이 균형이 약간 맞지 않는 회전하는 팽이처럼 기울어지고 세차 운동을 한다면, 시공간의 물결을 보낼 것입니다. 이 물결의 주파수는 터널의 질량과 크기에 따라 달라지겠지만, 신호의 세기는 변형에 의해 직접적으로 조절됩니다.

궁극적으로, 이 연구는 기이한 천체가 어떻게 눈에 띄지 않게 숨어 있을 수 있는지에 대한 새로운 사고방식을 제공합니다. 두 쪽의 웜홀이 표준 블랙홀와 동일한 질량과 시간 흐름 특성을 공유하기 때문에, 멀리 떨어진 관찰자는 빛의 굴절이나 주변 별의 궤도 변화를 통해 차이를 발견할 수 없습니다. 이러한 물체를 탐지하는 유일한 방법은 목의 역학을 관찰하는 것입니다. 만약 터널이 진동하거나 세차 운동을 한다면, 특정 주파수의 중력파를 방출할 것입니다. 연구진은 미래의 탐지기들이 우주의 이러한 희미한 속삭임을 들을 수 있을 만큼 민감해지고 있음을 언급하며, 독특한 서명(signature)은 파동의 주파수 변화가 아니라 진폭의 특정한 변화, 즉 숨겨진 변형이 남긴 지문이 될 것이라고 제안합니다. 이는 우주에 이러한 기이한 지름길이 존재하는지 테스트할 수 있는 구체적인 경로를 제공하며, 그것을 직접 보는 것이 아니라 그것이 어떻게 진동하는지를 '들음'으로써 가능하게 합니다.