올해 노벨 물리학상은 우리 은하의 중심부에 숨어있는 거대한 블랙홀의 발견을 포함하여 블랙홀의 본질에 대한 선구적인 연구에 수여됩니다.
상금의 절반은 1960 년대 블랙홀의 형성과 안정성에 대한 연구로 옥스퍼드 대학의 수학자 로저 펜로즈에게 돌아갑니다. 나머지 절반은 막스 플랑크 외계 물리학 연구소의 라인 하르트 젠젤과 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교의 안드레아 게즈 두 천문학자가 공유하고 있습니다. 1990 년대부터 그들은 은하수의 중심에있는 별 들을 추적 하는 라이벌 연구 그룹을 이끌었고 그들의 궤도가 초 거대 블랙홀 (SMBH)로 알려진 것에 의해 구부러 졌다는 것을 보여주었습니다.
블랙홀 (중력으로 인해 빛이 빠져나가는 것을 막을 만큼 거대함)이라는 개념은 수십 년에 걸쳐 조각으로 나타났습니다. 알버트 아인슈타인은 1915 년에 그의 일반 상대성 이론 인 중력 이론을 발표했습니다. 중력은 질량과 에너지가 공간과 시간의 구조를 왜곡할 때 발생하여 자유롭게 떨어지는 물체의 궤적이 태양 주위의 타원 궤도처럼 곡선을 이루게 만든다고 말합니다..불과 1 년 후 독일의 물리학 자 Karl Schwarzschild는 점 질량이 생성할 시공간의 구덩이 모양을 연구하고 그것이 사건의 지평선을 예측한다는 것을 보여주었습니다. 그것은 빛이 여전히 빠져나갈 수 있는 점 질량 주위의 구의 가장자리를 표시합니다.
그러나 별을 태워 버릴 수 있다는 전체 개념은 실제로 우주에서 이러한 기괴한 공극으로 이어질 수 있다는 개념은 1939 년까지 도착하지 않았습니다. 이때 물리학 자 J. Robert Oppenheimer와 George Volkoff는 중성자 별이 너무 무거워지면 아래로 붕괴되어야 한다고 계산했습니다. 극도로 강렬한 중력장 만 남게 하여 그 자체의 무게를 극히 극소 지점으로 만듭니다. 그들의 연구는 천체 물리학 자들의 현재 별 질량 블랙홀에 대한 이해를 예고했으며, 이는 충분히 무거운 별이 타서 핵이 붕괴될 때 형성됩니다.
오펜하이머와 그의 동료들은 폭발하는 별이 사건의 지평선을 형성해야 한다는 것을 증명하지 못했습니다. 물질이 어떻게 해서 든 흩날 리거나 죽은 별의 중력장이 주변에 달라붙지 않을 수도 있다고 생각할 수 있었습니다.1960 년대에 Penrose는 블랙홀의 형성이 본질적으로 불가피하며 더 많은 질량을 삼키면 서 커지면서 파괴될 수 없다는 것을 극도의 수학적 엄격함으로 보여주었습니다. 플로리다 대학의 일반 상대성 이론 전문가 인 Clifford Will은 “당신이 무엇을 했는지는 중요하지 않았습니다. 지평선은 항상 거기에 있었습니다."분리되지 않고 성장할 뿐입니다."
Will은이 상이 2018 년에 사망하고 Penrose가 협력 한 Stephen Hawking에게 일종의 상으로 간주될 수 있다고 제안합니다.사실, Penrose의 주요 예측은 소위 Hawking Penrose 정리로 구성되어 있습니다. Penrose는 Hawking이 블랙홀 주변의 지평선 형성에 관한 그의 아이디어를 우주론과 우주의 탄생에 적용했다고 지적합니다. Penrose는“그들은 내가 한 일에 대한 분명한 진보였습니다.
요컨대, Penrose는 블랙홀이 실제적이고 안정적인 천체 물리학 적 물체가 될 것이라는 일반적인 상대성 이론을 보여 주었다고 웁살라 대학의 이론 물리학 자이자 노벨 물리학위원회 위원 인 Ulf Danielsson은 말합니다. "Penrose는 이론적 토대를 마련하여 '예, 이러한 물체는 존재합니다. 나가서 찾아보면 찾을 수 있습니다.'라고 말할 수 있습니다."
Penrose의 발전 이후 천문학 자들은 블랙홀에 대한 풍부한 증거를 발견했습니다. 그들은 별들이 보이지 않는 동반자를 공전하는 것을 발견했고, 과열된 가스가 추정되는 블랙홀로 사라지면서 뜨거워지는 것을 볼 수 있었습니다.중력파 탐지기는 그러한 항성 크기의 블랙홀에 대한 클린 처를 제공했지만 은하계 거인은 아닙니다.
은하수 중심에 있는 궁수자리 A * (Sgr A *)로 알려진이 은하수는 수백만 개의 태양 질량에 달하며 26,000 광년 거리에 있습니다. 그러나 검은색일 뿐만 아니라 매우 작습니다. 이벤트 지평선은 수성의 궤도에 맞을 것입니다. 그 위에 은하 중심은 가스와 먼지로 망원경으로 은폐되어 있습니다.
관측 기술을 한계까지 밀어 붙임으로써 Ghez와 Genzel의 스파링 팀은 매우 간단한 연구를 수행했습니다. 그들은 Sgr A * 근처를 공전하는 단일 별의 진행 상황을 매핑하고 간단한 뉴턴 역학을 통해 궤도를 도는 것은 거대한 질량을 가져야 만했습니다. 하버드 대학의 이론 천체 물리학자인 Selma de Mink는 “고등학교 물리학에서는 우리가 볼 수 없는 거대한 무언가가 있다는 것을 이해하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
그들의 연구는 적외선 탐지기에 의해 가능해졌습니다. 약 2 마이크로미터의 파장이 최적의 지점으로 판명되었습니다. 이 적외선 광자는 안개를 통과할 수 있으며 지구 대기의 난기류에 의해 너무 방해받지 않았습니다. 적외선 파장도 상대적으로 정확하게 별을 찾을 수 있을 만큼 작았습니다.
1990 년대에 Genzel과 Ghez의 그룹은 둘 다 은하 중심에서 가장 가까운 별인 S2 또는 S0-2로 알려진 단일 별을 붙잡았습니다.Radboud 대학의 천체 물리학 자 Heino Falcke는 “Andrea와 Reinhard는 수년에 걸쳐 전설적인 경쟁을 벌여 필드를 계속 움직였습니다. S2에 대한 정확한 수정을 위해 팀은 사용 가능한 가장 큰 망원경이 필요했습니다. Genzel 케이스에 있는 유럽 초대형 망원경의 8m 망원경 4 개와 Ghez 용 10m Keck 망원경 2 개가 필요했습니다.
2002 년에 S2의 타원 궤도는 Sgr A *에 가장 가까운 지점에 도달하는 것처럼 보였습니다. 그것은 200 억 킬로미터 (17 광시) 이내에 왔고 초당 5000 킬로미터로 빛의 속도의 3 %로 이동했습니다. 그런 다음 팀은 보이지 않는 물체에 대한 결론을 도출하기에 충분한 궤도를 가졌습니다. 그들은 무게가 태양 400 만 개에 해당하고 집중된 물체 여야 한다고 계산했습니다. 블랙홀 일 수밖에 없었습니다. "그들은 블랙홀이 실제로 존재한다는 것을 Penrose가 이론으로 예측한 것을 관찰을 통해 증명했습니다."라고 Cambridge 대학의 Gerry Gilmore는 말합니다.
팀은 2008 년 첫 번째 완전 궤도와 2018 년 두 번째 근접 접근을 통해 S2를 계속 따라가고 있습니다. 그들은 이러한 데이터를 사용하여 보다 엄격한 테스트에 일반 상대성을 적용했습니다.“그들은 초대형 블랙홀의 토대를 마련했습니다.”라고 Falcke는 말합니다.
S2 결과만큼이나 연구자들은 SMBH의 존재에 대한 더 직접적인 증거를 원합니다. 그리고 2019 년에 이벤트 호라이즌 망원경 (EHT) 은 은하수에 인접한 은하 중 하나 인 M87 중심에 있는더 큰 괴물의 그림자를 드러내는 데 성공했습니다.그 블랙홀에는 수십억 개의 태양 질량이 있습니다. EHT 협업은 Sgr A *를 이미지화하려고 시도했지만 지금까지 결정적인 결과를 제시하는 데 방해를 받았습니다.
Ghez는 노벨 물리학상을 받은 네 번째 여성이며 지난 3 년 동안 두 번째입니다. “그것은 나에게 많은 것을 의미합니다.”라고 de Mink는 말합니다. 최근 몇 년 동안 노벨 과학상은 다양성이 부족하다는 비판을 받고 있습니다.
55 세인 Ghez는 비교적 젊은 수상자이기도 합니다.펜로즈 (89 세)는 가장 오래된 사람 중 하나입니다. 그러나 Penrose는 상을 받기 위해 너무 오래 기다린 것에 대해 후회하지 않는다고 말합니다. “너무 일찍 노벨을 얻은 사람들을 알고 있어서 과학을 망쳤습니다.”라고 그는 말합니다. "내가 충분히 늙었다 고 생각합니다."
By Adrian Cho, Daniel Clery
Source: www.sciencemag.org/news/2020/10/physics-nobel-honors-discoveries-about-black-holes
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