먼 미래 우주 에너지원은 블랙홀이다?

 

사이언스타임즈

2021.01.21. 17:5823,026 읽음 비밀글

 

블랙홀 자기장 이용…발전 효율 150% 기대

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 놀라운 예측을 한다. 공간, 시간, 중력을 연결하는 ‘일반 상대성 이론’은 회전하는 블랙홀이 엄청난 양의 에너지를 가지고 있다고 말한다.

지난 50년 동안, 과학자들은 이 에너지를 이용하기 위한 방법을 찾으려고 노력해 왔다. 2020년 노벨상 물리학상을 수상한 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 입자 분해가 블랙홀에서 에너지를 끌어낼 수 있다는 ‘펜로즈 과정’ 이론을 발표했다.

스티븐 호킹은 블랙홀이 양자역학적 방출을 통해 에너지를 방출할 수 있다고 제안한 반면, 로저 블랜포드(Roger Blandford)와 로만 즈나예크(Roman Znajek)는 전자기 토크를 에너지 추출의 주요 물질로 제시했다.

한편 피지컬 리뷰 D(Physical Review D)저널 최신호에 게재된 연구에서 컬럼비아 대학의 물리학자 루카 코미소(Luca Comisso)와 칠레 아돌포 이바네스 대학의 펠리페 아센조(Felipe Asenjo)는 새로운 이론을 발표했다.

사건의 지평선에서 블랙홀에 흡수되는 플라스마 상상도 ⓒ Classical And Quantum Gravity

 

‘먹으면 살 빠지는 설탕’ 같은 블랙홀 현상

블랙홀의 ‘사건의 지평선’ 근처에 있는 자기장 선을 끊고 다시 결합함으로써 블랙홀에서 에너지를 추출할 수 있다는 것이다.

블랙홀은 일반적으로 자기장을 운반하는 뜨거운 플라스마 입자의 수프(soup)로 둘러싸여 있다. 제1저자인 루카 코미소는 “이론적으로 볼 때, 블랙홀의 자기장 선이 분리되었다가 다시 연결될 때, 자기장 선이 플라스마 입자들을 음의 에너지로 가속시키면 많은 양의 블랙홀 에너지를 추출할 수 있다”고 말했다.

블랙홀은 음전하를 띤 입자를 만들어 에너지를 잃는다. 다른 말로 하자면, “사람이 부정적인 칼로리의 사탕을 먹음으로써 살을 뺄 수 있는 것과 같다”고 코미소는 말했다.

이상하게 들릴지 모르지만, 시공 연속체(spacetime continuum)가 너무 빠르게 회전하여 모든 물체가 블랙홀과 같은 방향으로 회전하는 에르고스피어(ergosphere)에서는 이런 현상이 일어난다.

에르고스피어는 회전하는 블랙홀에서 ‘사상의 지평선’ 바깥에 있는 특이한 영역이다. 빛이 블랙홀의 회전에 거슬러 나아가지 못하기 때문에 사상의 지평선 안에서와 마찬가지로 빛이 탈출할 수 없다.

이 지역에서는 자기장 선이 극단적으로 빨리 끊어졌다가 연결되기를 되풀이하면서, 플라스마 입자가 거의 빛의 속도로 뿜어져 나온다. 과학자들은 엄청난 양의 에너지를 추출하기 위해 이 과정을 이용하자는 것이다.

공상과학소설처럼 들릴지 모르지만 블랙홀의 에너지를 이용한다면, 미래에 인류가 우주 저 깊은 곳을 여행하거나 우주에서 살게 될 때 전기를 쉽게 얻어 사용할 수 있다고 과학자들은 주장한다.

과학자들이 블랙홀에서 전력을 생산하자고 제안한 것은 이번이 처음이 아니다. 지난해 6월에 네이처 물리학(Nature Physics) 저널에 발표된 최근 논문은 블랙홀에서 에너지를 얻을 수 있다고 로저 펜로즈가 주장한 ‘펜로즈 과정’을 실험적으로 증명했다.

‘펜로즈 과정’ 실험으로 증명하기도

‘펜로즈 과정’은 이론적으로 에너지는 블랙홀의 회전 영향으로부터 시공간이 뒤틀려지는, 블랙홀의 ‘사건의 지평선’ 밖의 지역에서 추출될 수 있다.

펜로즈는 만약 한 입자가 사건의 지평선으로 떨어지고 다른 조각이 블랙홀의 중력에서 벗어나는 등 입자가 두 부분으로 갈라진다면, 탈출하는 물체에 의해 얻어지는 에너지는 이론적으로 추출될 수 있을 것이라고 제안했다,

그러나 이것이 회전하는 블랙홀의 에너지를 이용하는 유일한 방법은 아니다.

이번에 발표한 논문에서 코미소와 아센조는 자기력의 역할에 주목하고 있다. 자기장 선이 에르고스피어에서 끊어졌다가 다시 결합하는 과정을 이용해서 에너지를 얻는다고 주장한다.

자기 재결합이 사건의 지평선 밖에서 일어나 빛의 속도에 근접하는 속도로 가속되는 플라스마 입자를 두 방향으로 쪼개면 한 플라스마 흐름이 사건의 지평선으로 떨어지고 다른 플라스마 흐름이 빠져나갈 수 있다.

Messier 87 은하 중심부의 블랙홀 사진. © 위키피디아

 

블랙홀의 관점에서, 떨어지는 입자는 음의 양의 에너지를 흡수할 것이다. 블랙홀 바깥에서 나오는 입자는 사용할 수 있는 양의 에너지를 가질 수 있다.

이 방법을 통해 에너지가 가득 찬 플라스마 흐름을 탈출하는 것은, 블랙홀이 음의 에너지 플라스마를 계속 삼키는 한, 이론적으로 사실상 무한한 자유 에너지의 원천으로 작용할 수 있다.

공동저자인 펠리페 아센조는 “플라스마 에너지 처리 과정은 지구상에서 작동하는 어떤 발전소보다 훨씬 높은 150%의 효율에 도달할 수 있다고 계산했다”고 말했다.

심재율 객원기자