06.02 - 사건의 지평선(The Event Horizon) [커세라 강의 페이지]
Black holes have an inside and an outside separated by a boundary called the event horizon. What is an event horizon? What does it look like, if it looks like anything at all? Let's explore this concept by revisiting what we mean when we talk about the surface of an object like the sun.
블랙홀은 사건의 지평선을 경계로 내부와 외부로 나뉜다. 관연 사건지평선은 무엇인가? 대체 어떤 모습일까? 이에 대한 답을 하기전에 먼저 태양 같은 항성의 표면을 살펴보기로 하자.
We often think of the sun, or any other star, as a big ball of gas which has a surface, but it's an oversimplification to say that all the star's gas lies inside this surface. Some of the sun's material is continually escaping from the hot and energetic surface.
우리는 태양같은 별을 표면을 가진 커다란 뜨거운 공이라고 생각한다. 하지만 그런 생각은 별을 구성하는 뜨거운 가스가 표면 아래에 갖혀 있다고 너무나 단순화 해서 보는 시각이다. 태양의 뜨겁고 강한 표면에서 물질들의 일부가 꾸준히 떨어져 나오는 중이다.
The solar wind pushes a small amount to the sun's gas, all the way to the outer edges of the solar system. This is the material that generates the auroras here on earth after all. For stars, we generally define the surface, known as the photosphere, to be the outermost layer of the sun. The photosphere is what we see when we look at the sun in visible light.
태양풍은 (태양의 자체질량에 비하면) 소량의 태양가스들을 태양계의 끝 넘어까지 불어내고 있다. 태양에서 불어오는 물질들이 지구에서 오로라 현상을 일으킨다. 별의 표면은 광구라고 하는데 가장 바깥쪽 껍질에 해당된다. 광구는 우리가 가시광선으로 보는 태양의 모습이다.
If we try to look deeper inside the sun, the hot gas blocks the light. So, we can't actually see deeper than the photosphere. Beyond the photosphere, there are additional regions of the sun where gas interacts, such as the chromosphere and the corona, but those layers are very faint and difficult to see.
태양의 내부를 보려고 해도 뜨거운 가스가 막아선다. 따라서 광구의 아래로는 실제로 볼 수 없다. 광구 밖으로 (뜨거운) 가스에 영향을 받은 층이 더 있는데 예를 들어 채층(chromosphere), 코로나 등이 있다. 하지만 이런층들은 매우 엷고 관측하기도 어렵다.
As you can imagine, saying exactly where the sun's surface is located, is a matter of scientific definition.
이처럼 여러 층에서 태양의 표면을 어디라고 말하는 것은 과학적으로 정의하기 나름이다.
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Although black holes do not have a surface, scientists have defined a boundary to separate the interior of the black hole from its exterior. A black hole's event horizon is a boundary that separates the black hole's interior which we are unable to see from the outer region.
비록 블랙홀이 표면을 갖고 있지 않지만 과학자들은 내부와 외부를 경계를 정의했다. 블랙홀의 사건의 지평선까지를 외부에서 들여다 볼 수 없는 블랙홀의 내부라 한다.
However, unlike stars, the black hole's event horizon is much easier to define because it's impossible for gas or light to escape from the event horizon. We say that the event horizon is the surface or boundary of a black hole, not as a rigid body but as the point of no return for material that has fallen in.
하지만 별과는 달리 가스든 빛이든 사건의 지평선을 넘을 수 없기에 블랙홀의 사건의 지평선(경계선 혹은 표면)을 정의 하기는 수월하다. 우리는 사건 지평선을 블랙홀의 표면 혹은 경계라고 한다. (명확히 형체를 구분할 수 있는) 강체는 아니지만 이 경계를 넘은 물질은 돌아올 수 없는 지점이기 때문이다.
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Why isn't it possible to have a ball of gas inside of the event horizon?
사건의 지평선 안쪽은 왜 가스 공이 될 수 없을까? [별은 뜨거운 가스로 가득찬 공이다.]
It all comes down to a concept called hydrostatic equilibrium. In module two, we discovered that hydrostatic equilibrium is the balance between gravity and gas pressure in the interior of stars. Gravitational attraction tries to bring all the gas in the star towards the star's center, but gas pressure creates an outward force that prevents further gravitational collapse. When the stars are in balance, the star is stable and can stay the same size for a long time, like our sun.
그 이유는 바로 정역학 평형의 개념에서 찾을 수 있다. 2주차 강의 때 별의 내부에서 중력과 가스압 사이의 균형을 정역학 평형으로 설명하였다. 중심으로 뭉치는 중력과 밖으로 밀어내는 가스 압이 균형을 이뤄 중력붕괴를 막아 별이 안정적인 구의 모양을 유지한채 긴시간을 지낼수 있다.
Suppose we take a star and compress it into a smaller volume, overpowering gas pressure at the interior. The matter in the star will be squashed, and feel a stronger gravitational pull towards the center, which requires a larger gas pressure in order to push outwards to balance the star. Is it possible to continue compressing the star into smaller and smaller regions?
별을 한개 취해서 아주 작게 눌렀다고 하자. 내부 가스들은 과도한 압력을 받는다. 물질이 작은 부피에 몰리면 중심으로 강한 중력을 받는다. 별을 유지하기 위해 이를 떠받치려면 더큰 가스압이 필요하다. 별을 점점작게 뭉치도록 앞력을 계속 가할 수 있을까?
No. If you compress the star's gas within the star Schwarzschild radius, the gas pressure required to balance gravity becomes infinite. It's not possible to create infinite gas pressure, so gravity wins the battle and the star's gas will have to continue falling inwards It is impossible for any matter to be at rest inside of the black hole's event horizon.
만일 별을 슈발츠쉴트 반경 이내로 짜브러트린다면 이정도 중력에 균형을 이룰 가스 압이 필요하다. 무한한 가스압을 만들어 내기는 불가능하다. 따라서 가스 압과 경쟁에서 승리한 중력이 폭주하여 수축을 계속 하게 되므로 사건 지평선 안쪽에는 '정지해 있는' 어떤 물질도 없다.
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The event horizon can be understood by observing how light rays are bent by the gravitational field of a massive object. We know that if there is no gravity, light travels in straight lines, just like this ball rolling on a flat surface travels in a straight line. Just as the sheet is deformed by the presence of the weight, space-time is deformed by massive objects, like a star or a black hole.
무거운 천체의 중력장에 의해 빛이 휘는 정도를 관측함으로서 사건의 지평선을 이해할 수 있다. 중력이 없는 공간에서 빛은 직진한다. 만일 평면이 무게추에 의해 늘어진 것처럼 시공간은 별이나 블랙홀처럼 무거운 천체에 의해 변형된다.
When we roll a ball on the curved sheet, it doesn't travel in a straight line, instead, its path is curved towards the central mass. The closer the ball's starting point is to the mass, the more the path of the ball becomes curved. Light is deflected in the same way by the mass of a star or a black hole. If a star and a black hole have the same mass, deflection angle is the same for photons travelling on paths that are the same distance from the object, assuming the light path stays outside of the object.
휜 면에 공을 굴리면 직진하지 못한다. 대신 질량 중심을 향해 굽은 경로를 따라 움직인다. 공이 무게 중심에 다가갈 수록 더욱 굽는다. 빛도 같은 식으로 별이나 블랙홀에 의해 굽는다. 만일 별과 블랙홀이 질량이 같다면 그 천체에서 동일한 거리에 떨어져 외곽 경로로 움직이는 광자 굴절각도 같다.
We must remember that a black hole with the same mass as the star is much more dense. If you recall that the sun's radius is 700,000 kilometers, but a black hole with the same mass as the sun has an event horizon radius that is only three kilometers. This means that it's possible to get much closer to the center of a black hole than a star.
블랙홀이 별에 비해 매우 밀집되어 있다는 점에 주목하자. 같은 무게라도 별의 반경은 블랙홀의 사건 지평선에 비하면 매우 크다. 태양의 반경이 대략 7 십만 킬로미터에 달하지만 같은 질량의 천체의 사건지평선 반경 (슈발츠쉴트 반경)은 단 3킬로미터에 불과하다. 이 말은 (광자의 경로가) 질량 중심에 훨씬 가깝게 다가갈 수 있다는 뜻이다.
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The radius of a non-rotating black hole is sometimes called the Schwarzschild radius, named after Karl Schwarzschild, the first person to solve Einstein's equations for strong gravitational fields.
비회전 블랙홀의 반경을슈발츠쉴트 반경이라 하기도 한다. 칼 슈발츠쉴르의 이름에서 따왔는데 그는 아인슈타인의 강한 중력장 방정식을 푼 최초의 인물이다.
Einstein's equations were thought to be so difficult that Albert Einstein himself said that nobody would ever be able to solve them. However, only a year after Einstein published the equations, Karl Schwarzschild found the first solution, which happened to describe a non-rotating black hole.
아인슈타인의 방정식은 너무 난해하다고 알려졌다. 알버트 아인슈타인 스스로도 아무도 풀지 못할 것이라고 말했을 정도다. 하지만 아인슈타인이 그 방정식을 담은 논문이 발표된지 채 일년만에 칼 슈발츠쉴트가 첫번째 해를 내놨다. 이해는 비회전 블랙홀의 설명에 적용되었다.
What a coincidence that Schwarzschild, whose name means black shield in German, was the first to describe the concept of a black hole.
독일어로 '검은 방패'라는 뜻을 가진 슈발츠쉴트가 블랙홀의 개념을 처음으로 설명한 것은 참으로 심상치 않은 우연이라 하겠다.
* 장방정식은 미분 방정식이다. 기하학과 물리량을 벡터 미적분(+텐서)을 도입하여 기술한 방정식이다. 언뜻 보면 무슨 이게 미분 방정식인가 하겠지만 축약 기술법으로 위아랫 첨자에 심오함이 잔뜩 담겨 있다. 구분 공간을 벡터 미적분과 기하학으로 기술한 것인데 이것 만으로도 어렵다. 게다가 미분 방정식 이라니! 미분 방정식은 원래 푸는게 아니다. 가설해를 상정해 놓거나 타당한 이유를 대고 근사화 해야 겨우 풀수있다. (죽기전 언제쯤 풀이를 이해라도 해보면 좋겠다!) 시험 문제에 나오는 미분방정식은 풀이 연습용으로 만든 아주 특별한 경우다.
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In module four, we explored the equation for Schwarzschild radius, which is two times the mass times G, over c squared. In this equation, Rs is the distance corresponding to Schwarzschild radius, M is the black hole's mass, G is Newton's gravitational constant, and c is the speed of light.
4주차 강의에서 슈발츠쉴트 반경에 관한 방정식을 다뤘었다. 블랙홀의 질량 M과 사건의 지평선 반경의 관계식이다.
For black holes that don't rotate, the event horizon is a sphere with a radius that is simply proportional to the black hole's mass. So, if you double the mass of a black hole, the radius of the sphere doubles, too.
회전하지 않는 블랙홀인 경우 사건의 지평선 반경은 질량중심에서 구의 반경으로 질량에 비례한다. 질량이 두배로 늘면구의 반경도 두배가 된다.
If you put numbers in for the sun, you'll find that the Schwarzschild radius is three kilometers. Physicists often simplify key equations by folding terms that occur repeatedly.
태양의 질량을 이식에 적용하면 슈발츠쉴트 반경은 3 킬로미터다. 물리 학자들은 상수들을 묶어 미리 계산해 놓고 익숙한 값을 반복적으로 사용하길 바란다.
In this case, the equation for the Schwarzschild radius is simplified so that it is equal to three kilometers, times the black hole's mass divided by the sun's mass. We now have the event horizon radius scaling with a ratio of masses, or in other words, it's dependent on how much more massive black hole is than the sun.
그래서 슈발츠쉴트 반경을 우리에게 익숙한 태양의 몇배라는 식으로 표현한다. 이렇게 해놓음으로서 사건의 지평선반경의 크기를 블랙홀 질량과 태양의 질량의 비율로 계산할 수 있다.
[미세한 물리상수와 천문학적 숫자들의 나열에 비해 엄청 편리하다. 게다가 이미 알려진 물리상수의 기호를 사용하지 않아도 된다. 기호를 쓰다보면 변수인지 상수인지 헛갈린다. 단순화 해놓으면 전체 그림이 보인다. 새로운 영감이 떠오를 지도 모르고....]
This is helpful as it makes the numbers a little easier. If we were to visit Cygnus X-1, which has a mass that is 15 times larger than the sun's mass, the radius of the black hole would be three kilometers times 15, which equals 45. Still pretty small.
시그너스 X-1의 질량은 태양의 15배 이므로 반경은 45킬로미터다. 역시 아주 작다.
The supermassive black hole at the center of the Milky Way has a mass that is 4 million times larger than our sun. This means that its event horizon is 12 million kilometers. That might sound like a big distance, but the largest black hole in our galaxy is smaller than the distance between our sun and Mercury.
우리은하 중심에 있는 블랙홀은 태양질량의 4백만배에 이른다. 사건지 평선의 반경은 1천2백만 킬로미터다. 얼핏 듣기에 아주 긴것 같아도 은하에서 가장큰 블랙홀이 태양과 수성 거리보다 짧다.
A black hole would need to have a mass that is 50 million times larger than the sun before the event horizon would be as large as the distance between the sun and the earth.
사건지평선반경이 태양과 지구사이 거리쯤 되려면 블랙홀의 질량은 무려 태양의 5천만배는 되어야 한다.
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Since the event horizons of supermassive black holes are further away from the black hole center, the tidal forces at the event horizon are smaller for black holes with larger masses. As we learned earlier, tidal forces can be pretty hazardous to an astronaut's health. This means that if you get to choose which black hole to visit, you should choose a larger black hole mass. It is estimated that a black hole should be at least one thousand solar masses in order to be safe to visit.
초거대 블랙홀의 사건지평선은 중심에서 멀리 떨어져 있기 때문에 조석력이 작다. [조석력은 중력에너지 차에서 나온다. 중력가속도는 거리의 세제곱에 역비례하므로 중력에너지 차도 그만큼적다.] 이미 알고 있겠지만 조석력은 우주비행사에게 치명적이다. 안전하게 블랙홀 여행을 하려면 태양질량의 1천배 이상되는 블랙홀을 골라 방문해야 한다.
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Since the radius of a black hole is proportional to its mass, if matter falls into the black hole, the event horizon grows larger. In most cases, this is incredibly small change. However, if two black holes collide, they can merge into one significantly larger black hole. In case you're wondering, Stephen Hawking proved that it's impossible for a black hole to split into multiple black holes. We'll talk more about this in module seven.
블랙홀의 반경은 질량에 비례하므로 물질들이 빨려들어 갈수록 사건 지평선의 범위는 넓어진다. 대부분 경우 변화량은 아주 작다. [사건지평선이 급격히 늘만큼 빨려들어가는 물질이 순식간으로 많지 않다.] 하지만 블랙홀이 충돌하면 한개의 거대블랙홀로 합쳐진다. 의구심이 들텐데 [두 블랙홀이 근접하면서 생긴 엄청난 조석력은 블랙홀을 산산조각 내지 않을까?] 스티븐 호킹은 여러개의 블랙홀로 쪼개질 수 없음을 증명해 보였다. 이에 대해서는 7주차 강의에서 다룬다.
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If we shine a flashlight in the direction of a black hole, the closer the light is aimed towards the black hole, the more curved the light beam will become. As we aim a flashlight closer and closer, we discover that there's a special distance at which light from our flashlight begins traveling in circles around the black hole. This is an area called the photon sphere, which corresponds to a radius that is one and a half times larger than the radius of the event horizon.
블랙홀을 향해 손전등을 비춰보자. 블랙홀에 가까이 갈수록 빛줄기는 더 많이 휜다. 점점더 가까이 가다 어느 지점에 빛이 블랙홀의 주위를 돌게 된다. 이 지점을 광자구(photon sphere)라 한다.광자구의 반경은 사건 지평선 반경의 1.5배다.
The photon sphere is similar to the innermost stable circular orbit for particles, except that circular photon orbits are unstable. If a photon becomes trapped within the photon sphere, only a small nudge is enough to kick photons away from the black hole or to send them spiraling inward.
광자구는 입자의 최근접 안정 원궤도(ISCO; 이스코)와 비슷하다. 하지만 광자의 궤도는 매우 불안정하다. 광자가 광자구에 진입 했더라도 약간의 자극에도 광자는 블랙홀에서 벗어나거나 안쪽으로 뛰어든다.
Scientists call this collection of circular photon orbits the ring of fire. In this computer simulation, a black hole is surrounded by the purple and red accretion disk. Some of the light emitted by the accretion disk, travels close to the black hole and becomes trapped in circular orbits for a while before escaping. An observer would see these escaping photons forming a bright ring around the black hole.
과학자들은 광자의 원궤도를 Ring of Fire(불의 환) 라고 한다. 컴퓨터 시뮬레이션에서 보면 블랙홀이 적색과 보라색으로 표현된 강착 원반에 둘러싸여 있다. 강착 원반이 블랙홀을 향해 안으로 돌다가 잠시 원궤도를 그리다가 빠져나간다. 이렇게 빠져나가는 광자들이 블랙홀 주변의 밝은 원을 형성 할텐데 우리는 이를 관측할 수도 있을 것이다.
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Current telescope technology is on the verge of capturing images of a photon sphere. New telescopes like the Event Horizon Telescope and others in development should be able to capture images of the ring of fire.
현재 망원경 기술은 광자구의 영상을 찍을 수 있는 수준에 거의 다달았다. 사건지평선 망원경 (Event Horizon Telescope) 또는 개발 중인 새로운 망원경들은 (조만간) 불의 환 영상을 얻을 수 있으리라 기대된다.
If we aim our flashlight closer to the black hole than the circular photon orbit, photons emitted from the flashlight will move on plunging orbits that will end up crossing the event horizon. Any light entering the event horizon is unable to escape. If we can image the region outside the event horizon of a black hole, we would see a region with no light emission, that is sometimes called the black hole shadow.
손전등을 광자 궤도보다 좀더 블랙홀에 가깝게 비추면 전등을 떠난 광자들은 사건 지평선을 넘어 빨려 들어간다. 사건지평선 밖으로 어떤 빛도 빠져나오지 못한다. 만일 블랙홀의 사건지 평선 밖의 영역의 사진을 얻는다면 그 영역을 블랙홀의 그림자라 한다. [불의 환과 사건의 지평선 사이의 검은 영역]
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What will happen to an astronaut that is far from the black hole? Let's consider a situation in which both an astronaut and a distant observer are equipped with flashlights capable of emitting one pulse of light per second. If they shine these pulsing flashlights at one another while the astronaut falls towards the event horizon, what observations would we expect them to see?
블랙홀에서 멀리 떨어진 우주비행사에게 무슨 영향이 있을까? 우주 비행사와 멀리 떨어진 관측자 각자가 매초마다 반짝이는 손전등을 가지고 있다고 하자. 두사람이 서로 반짝이는 손전등을 서로 비추고 있고 우주 비행사는 사건의 지평선을 향해 떨어지는 중이다. 멀리 있는 관측자는 우주비행사의 손전등이 반짝이는 걸 볼 수 있을까?
We already learned that gravitational time dilation will stretch the time intervals that the faraway observer sees. As the astronaut falls into the event horizon, the time interval between the pulses received by the observer stretch to infinite amounts of time, even though the astronaut may have only spent a few hours falling into the black hole.
앞서 얘기했듯이 중력 시간 평창으로 인해 멀리 있는 관측자는 우주비행사의 손전등이 반짝이는 시간이 아주 늘어지는 걸 보게 된다. 우주비행사가 사건의 지평선에 떨어지면 반짝임 간격이 무한정 길어지는 걸 보게된다.
Since the event horizon is a one-way street in space-time, the astronaut falling towards the black hole will continue receiving signals from a distant observer at exactly the same rate of one pulse per second. The astronaut even continues to receive the signals after crossing the black hole's event horizon. Remember, the event horizon is asymmetric, just like one-way street. Light can enter the black hole, but it can't escape.
사건의 지평선은 시공간에서 일방통행로와 같다. 블랙홀로 떨어지는 우주비행사는 관측자가 보내는 신호를 매초 정확하게 받는다. 심지어 우주비행사는 블랙홀의 사건지 평선을 넘으면서도 받는 신호는 여전하다. 기억할 점은 사건지평선이 비대칭 이라서 일단 들어온 빛은 나가지 못한다.
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The in-falling light pulses from the distant observer don't change as they pass through the event horizon to be observed by the astronaut. Just as there is no wall of gas left over from us compressing a star, there's nothing special marking location of the event horizon.
우주비행사가 받은 멀리 있는 관측자가 보낸 떨어지는 빛의 깜박임은 사건의 지평선을 넘을 때도 변함이 없다. .......
This makes a trip to a black hole extremely dangerous. If you manage to survive the tidal forces near a black hole, it is easy to accidentally crossover the event horizon since it seems like an unremarkable location in space when you're traveling through it. So, if you do travel to a black hole, be sure to calculate exactly where the event horizon is before you approach.
블랙홀로 떨어지는 우주비행사는 외부의 신호에 이상한점(시간의 팽창 같은)을 인지하지 못한다는 점은 블랙홀 여행에서 아주 위험하다. 블랙홀 근처에서 조석력을 견딘다 해도 우주에는 어떤 위험표지도 없기에 실수로 사건지평선을 넘을 수 있다. 만일 블랙홀에 구경갈 참이라면 사건지평선이 어디쯤인지 정확히 계산했는지 확인하자.
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We know that anything entering a black hole's event horizon cannot escape. Not even light. This means that you can't sneak a look at what's inside and let people outside know what's happening. While you obviously wouldn't risk putting your head into a black hole, if you're sitting inside your rocket orbiting just outside the event horizon, you could lower a camera past the event horizon. However, in order to take a picture of the inside of a black hole, the electrons in the camera would need to travel faster than the speed of light to send any information back up to your spaceship. We expect that the structure holding the camera will be ripped apart, and that the camera would fall inwards before any photos could be taken.
블랙홀 내부가 궁금하다고 고개만 들이 밀어도 않된다. 사건지평선 밖의 궤도를 돌면서 카메라만 들이 밀수도 있겠지만 카메라의 전자들이 빛보다 빨라야 사진을 건질 수 있다. 사진이 도착하기 전에 카메라 몸체가 박살나 잔해들은 벌써 빨려 들어간다.
Even though we can't, in theory, pass information about the interior of a black hole past the event horizon, we can deduce some of the properties of a black hole's interior. One object theorized to exist by Sir Roger Penrose is called the singularity, an object so foreign to the laws of physics that our understanding of them is incomplete.
이론적으로는 사건의 지평선을 통과하여 블랙홀 내부의 정보를 전달 할 수 없지만 블랙홀 내부의 특성을 짐작할 수는 있다. 그 한가지 대상을 '특이점'이라 하는데 로저 펜로스 경에 의해 이론적으로 입증되었다. [블랙홀 내에 뭔가 있다!] 인간이 알고 있는 모든 물리법칙들이 붕괴된다. [시간이 멈춰있으니까!] [특이점]
Singularities are thought to be such dreadfully ugly objects that we think the event horizons themselves are there to shield us from seeing it. This yet unproven conjecture is sometimes called Cosmic Censorship Hypothesis, and we will go into more gory detail in the next section.
특이점은 아주 기묘한 대상(장소)인데 우리가 속을 드려다 볼 수 없게 스스로 장막을 두르고 있다. 아직 풀리지 않은 이 수수께끼를 '우주 검열 가설'이라고 한다. 다음 강의에서 이점에 대해 아주 세세히 다뤄 보겠다.
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