블랙홀의 성질과 구조3(광자구, 작용권, 최내곽안정원궤도)

광자구

 블랙홀의 두께 0의 구형태 경계면을 말하는 광자구는, 블랙홀에 붙들린 광자가 이 구의 접선 방향으로 움직인다. 무회전 블랙홀은 광자구 반경이 슈바르츠실트 반경의 1.5배에 달한다. 광자구의 궤도는 동역학적으로 불안정하고, 새로운 물질 입자가 블랙홀로 떨어지는 형태의 움직임에 의해 점진적으로 커진다. 이러한 결과로 광자구는 외부로 튕겨나가 블랙홀에게서 벗어나거나 와선 형태를 나타내며 안쪽으로 움직이거나 사건의 지평선으로 빨려 들어간다. 광자구의 빛은 블랙홀에게서 벗어날 수 있는 가능성이 있으나 광자구의 안쪽을 지나는 빛은 블랙홀에게 붙잡힐 수밖에 없다. 외부에서 보이는 방출 빛은 광자구와 사건의 지평선 사이 물체에 의해서 방출이 된 것이 보이는 것이다. 광자구에 관한 개념은 원대칭 물체 밖의 중력장이 슈바르츠실트계량을 따라 물체의 크기가 아니라 질량에 의존한다는 데서 도출이 된다. 

작용권

 움직이는 블랙홀의 주위에는 정지 상태가 불가능한 시공간이 형성이 된다. 이는 작용권이라고 칭한다. 작용권은 틀끌림이라는 과정에서 나타난 결과물이다. 일반상대론에 따르면 회전하는 질량은 자기 주위에 있는 시공간을 끌어당기게 됨을 예측한다. 회전체의 주위 물체는 회전 방향을 따라 움직이게 되는 것이 이 부분을 증명한다. 회전하는 블랙홀은 작용권이 강력하게 작용하며 사건의 지평선 근처 물체는 이러한 이유로 빛보다 빨리 움직인다. 외부에서는 작용권 안 물체가 정지하기 위해서 반대 방향으로 빠르게 이동해야 하는데 이는 불가능하기 때문에 작용권 안의 물체는 외부에서 보기에 정지 상태로 보일 수가 없다. 블랙홀 작용권의 안쪽은 사건의 지평선이며 바깥쪽은 회전타원체를 이룬다. 양극에서는 작용권과 사건의 지평선이 겹치게 되고, 적도로 향할수록 작용권이 부풀게 된다. 이는 일명 작용면이라고 호칭한다. 작용권에만 들어갔으며 사건의 지평선은 넘어가지 않은 물체는 바깥으로 탈출이 가능하다. 블랙홀의 회전 에너지를 이용해 물체는 들어갈 때보다 더 많은 에너지를 가지고 작용권에서 벗어날 수 있는데, 이러한 과정을 펜로즈라고 한다.

최내곽안정원궤도

 만유인력의법칙에서 시험입자는 물체의 중심으로부터 특정 거리만큼 멀어져야 안정적인 공전을 할 수 있다고 한다. 하지만 일반상대론에는 안정적인 원의 궤도를 유지하면서 중심체에 가까워지는 하한이 존재하며 이러한 것을 최내곽안정원궤도라고 부른다. 최내곽안정원궤도 안에 들어가면 아주 작은 움직임으로도 원궤도가 붕괴하게 되는데 와선을 그리며 블랙홀을 향해 떨어지게 된다. 최내곽안정원궤도는 블랙홀 자전에 의해 결정이 되며 자전이 0인 슈바르츠실트블랙홀의 경우 자전이 증가할수록 그 크기는 감소한다고 한다.

 

블랙홀의 공허한 모습