09. 블랙홀 미스터리 , 회전하는 블랙홀의 중심을 통과하면 어디로 가는가

회전하는 블랙홀의 중심을 통과하면 어디로 가는가

블랙홀의 중심에는 특이점이 있다. 특이점이란 밀도가 무한대가 되고 시공간의 곡률이 무한히 커지는 지점으로, 현재 물리학이 기술할 수 없는 영역이다. 일반적인 블랙홀에서 이 특이점은 점의 형태를 갖는다. 그리고 블랙홀 안으로 떨어진 모든 것은 결국 이 점으로 빨려 들어가 소멸한다. 끝이다.

그런데 회전하는 블랙홀은 다르다. 우주의 블랙홀 대부분은 회전한다. 별이 붕괴할 때 회전 운동량이 보존되기 때문이다. 회전하는 블랙홀을 커 블랙홀(Kerr black hole)이라고 하는데, 1963년 수학자 로이 커(Roy Kerr)가 아인슈타인 방정식의 해로 발견했다. 커 블랙홀의 특이점은 점이 아니다. 링, 즉 고리 형태다. 그리고 이 링 특이점은 이론적으로 통과가 가능하다. 통과하면 어디로 가는가.

 

회전하는 블랙홀, 링 특이점

1. 구형 특이점과 링 특이점의 차이

회전하지 않는 블랙홀, 즉 슈바르츠실트 블랙홀의 특이점은 공간의 한 점이다. 이 점으로 떨어지는 물체는 무한한 조석력에 의해 완전히 파괴된다. 수학적으로도 이 점에서는 모든 물리 법칙이 붕괴하기 때문에 그 너머에 무엇이 있는지 기술할 방법이 없다.

커 블랙홀의 링 특이점은 구조가 다르다. 이 특이점은 회전축에 수직인 평면 위에 놓인 고리다. 고리의 중심, 즉 고리를 통과하는 축 방향에서는 특이점의 영향을 직접 받지 않는다. 이론적으로 이 방향을 통해 고리 안으로 진입하면 특이점과 충돌하지 않고 통과할 수 있다.

커 블랙홀의 내부 구조는 슈바르츠실트 블랙홀보다 훨씬 복잡하다. 외부 사건의 지평선 안쪽에 내부 코시 지평선(inner Cauchy horizon)이 하나 더 있다. 코시 지평선은 물리학에서 인과율의 경계다. 이 경계를 넘으면 과거와 미래의 구분이 달라진다. 이론적으로 코시 지평선 내부에서 링 특이점의 고리를 통과하면, 방정식은 다른 우주 또는 동일 우주의 다른 시공간 영역으로의 진입 가능성을 허용한다.

 

커 블랙홀, 링 특이점

2. 방정식이 허용하는 것과 자연이 허용하는 것

방정식은 링 특이점 통과를 허용한다. 그러나 물리학자들은 이것이 실제로 가능한지에 대해 회의적이다. 가장 큰 문제는 코시 지평선의 불안정성이다.

코시 지평선은 수학적으로 매우 불안정한 경계면이다. 외부에서 들어오는 모든 복사, 빛, 입자들이 코시 지평선 근처에서 무한히 블루시프트된다. 블루시프트란 파장이 짧아지고 에너지가 증가하는 현상이다. 실제 블랙홀 내부에서는 아무리 미약한 에너지 신호라도 코시 지평선에 도달하는 순간 무한히 큰 에너지 밀도로 집중된다. 이 에너지가 코시 지평선 자체를 불안정하게 만들고, 이론가들은 현실적인 물리 조건에서는 코시 지평선이 존재하지 않고 대신 그 위치에 또 다른 특이점이 형성될 것으로 예측한다.

이것을 강한 우주 검열 가설(strong cosmic censorship conjecture)이라고 한다. 앞선 글에서 다룬 펜로즈의 우주 검열 가설의 변형이다. 자연은 인과율을 지키기 위해 코시 지평선 뒤에 있는 문을 닫아버린다는 것이다. 이론적으로 열려 있는 통로를 자연이 물리적으로 봉쇄한다.

실제 커 블랙홀에서 링 특이점 통과가 가능한지는 양자 중력 효과를 포함한 완전한 이론 없이는 답할 수 없다. 고전적인 일반 상대성 이론은 가능성을 열어두지만, 현실적인 물리 조건을 추가하면 그 문이 닫히는 쪽으로 계산이 기운다.

 

회전하는 블랙홀의 중심, 링 특이점 통과

3. 통과한다면 무엇이 있는가

그럼에도 이론이 허용하는 시나리오를 끝까지 따라가 보면, 링 특이점을 통과한 이후의 방정식은 놀라운 해를 내놓는다.

하나는 반중력 영역이다. 링 안쪽으로 진입하면 중력의 방향이 반전되어 밀어내는 방식으로 작용한다는 해가 존재한다. 수학적으로는 음의 질량처럼 작동하는 시공간 영역이다. 이 영역에서 물체는 특이점에 이끌리지 않고 오히려 밀려난다.

다른 하나는 다른 우주로의 진입이다. 커 블랙홀의 맥스웰 확장(maximal extension)이라 불리는 수학적 분석에 따르면, 링 특이점을 통과하면 이 우주와 연결되어 있지만 서로 다른 시공간 구조를 가진 우주 영역이 이어진다. 이것은 화이트홀과도 연결되는 개념이고, 002편에서 다룬 아인슈타인-로젠 다리와도 맥락이 닿아 있다.

그러나 이 해들은 모두 이상적인 진공 상태의 순수한 커 블랙홀을 전제로 한다. 실제 블랙홀은 물질을 흡수하고 있고, 그 과정에서 내부 구조가 이상적인 수학적 해와 달라진다. 실제 커 블랙홀 내부가 방정식이 예측하는 그대로인지는 아직 알 수 없다.

 

회전하는 블랙홀의 중심을 통과하면 어디로 가는가

마무리

회전하는 블랙홀의 중심을 통과하면 어디로 가는가. 방정식은 다른 시공간으로의 진입 가능성을 열어두지만, 자연은 그 문 앞에 장벽을 세우려는 것처럼 보인다. 코시 지평선의 불안정성은 이 통로가 이론적 허용과 물리적 현실 사이에서 아직 결론을 내리지 못한 채 있다는 것을 보여준다.

이 불확실성은 단순히 커 블랙홀 내부의 문제가 아니다. 공간을 연결하는 통로가 가능한가라는 질문은, 웜홀과 양자 얽힘이 어떤 관계인지를 묻는 다음 이야기로 자연스럽게 이어진다.