| <colbgcolor=#000> 블랙홀 Black Hole | ||
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| 위 이미지에서 강착 원반과 사건의 지평선 사이에, 두꺼운 바깥의 빛 안 마치 금환 일식 모양의 앏은 빛이 보이는 지역이 빛 구(Photon Sphere)이다 | 위 이미지에서 주황색 선은 빛의 진행 방향(우->좌), 녹색 원이 빛 구이며, 검은색 원이 사건의 지평선이다 |
1. 개요
Photon Sphere블랙홀 주변에 존재하는 두께 0인 지역. 광자구, 빛의 껍질이라고도 불린다.
2. 설명
빛은 블랙홀 주위를 지날 때 직진하지 않고 휘어지게 된다. 블랙홀에 더 가까워지면 빛은 몇 바퀴 돌고 빠져나오고, 더 근접하면 블랙홀로 빨려들어가게 된다. 블랙홀 쪽으로 들어가는 빛과 블랙홀 밖으로 빠져나오는 빛을 가르는 두께가 0인 경계를 바로 빛 구라고 한다. 이 공간에서의 빛은 아직 탈출할 가능성이 있지만 아주아주 약간만 더 가면 빛이 빨려 들어가지도 않고, 완전히 빠져나오지도 않는다. 이 경계를 타게 된 빛은 원 궤도를 그리며 블랙홀 주위를 돌게 된다. 마치 지구 궤도를 공전하는 달처럼.이론적으로, 빛 구는 한 개의 빛줄기 기준으로 안정적인 궤도가 아니다. 빛은 안정적인 원 궤도를 유지할 수가 없다. 뾰족한 산꼭대기에 놓인 바위와 같다. 회전하면서 조금이라도 반지름이 바뀌면 빛은 빛 구에서 벗어나게 된다. 다만 워낙 많은 빛들이 블랙홀 주변을 지나므로 이들이 이루게 되는 빛 구의 형태 자체는 유지될 것이다.
빛 구의 반지름은, 슈바르츠실트 블랙홀을 기준으로 슈바르츠실트 반지름(사건의 지평선의 반지름)의 3/2 배이다.
[math(\displaystyle r_{\text{photonsphere}} = \frac{3}{2}r_s = \frac{3GM}{c^2})]
따라서, 빛 구의 크기는 블랙홀의 질량에 비례한다. 물론 블랙홀의 질량은 호킹 복사와 물질/에너지 흡수로 인해 매 순간 변하며, 빛 구가 유지되는 궤도도 변한다. 다만 블랙홀의 총 질량에 비하면 이러한 변화는 매우 느리며 우리가 보았을 때는 충분한 시간동안 빛 구가 가만히 있는 것으로 보인다.
일단 빛으로 이루어진 구지만, 외부에서는 진입 각도가 크거나 블랙홀의 질량 변화로 궤도가 틀어져 밖으로 빠져나오는 광자만을 관측할 수 있을 뿐 빛 구 자체를 관측할 수는 없다. 또한 광자 자체는 영원히 빛 구에 잡혀있더라도 시간이 흐르면서 적색 편이가 발생하므로 관측자가 빛 구에 진입하더라도 실제로 느끼는 광량(가시광선)은 적을 것이다.