암흑 전하가 폭발하는 블랙홀을 더 흔하게 만들 수 있다
Synopsis: Dark Charge Could Make Exploding Black Holes More Common

원시 블랙홀은 어두운 전자기와 같은 상호작용에 의해 안정화되어 폭력적인 종말이 오늘날까지 지연될 수 있다.

블랙홀은 사건의 지평선 바로 너머에서 호킹 복사‒광자와 다양한 아원자 입자‒를 방출하여 증발하는 것으로 생각된다. 이 방출의 특성 온도 즉 증발 속도는 블랙홀의 질량에 반비례한다. 질량이 영으로 줄어들면 폭발적인 최후가 이어진다. 그 과정은 너무 느려서 초기 우주에서 생성된 가벼운 블랙홀이 이제 막 종말 단계에 접어들 수 있을 것이다. 현재 감마선 관측소는 약 0.3광년 이내에 폭발하는 원시 블랙홀 중 하나를 발견할 수 있을 것이다. 그러나 블랙홀의 추정된 희소성 때문에 감지 가능한 사건은 약 10만 년에 한 번만 발생해야 한다. Michael Baker와 미국 Amherst의 University of Massachusetts의 동료들은 일부 표준 모형을 넘어서는 이론이 맞다면 훨씬 더 많은 블랙홀을 생성할 수 있다고 제안했다. 이 제안은 향후 10년 동안 폭발하는 블랙홀을 관측할 확률이 최대 90%에 달한다는 것을 의미한다.

폭발하는 모든 블랙홀마다 많은 수의 폭발 전 블랙홀이 더 희미하게 방사되어 감마선 배경을 추가해야 한다. 우리가 예상해야 할 폭발의 수는 원시 블랙홀 수의 크기에 따라 달라지며, 이는 배경에서 추론된 수준을 초과할 수 없다. Baker와 동료들은 기존의 광자와 전자와 유사한 소위 암흑 부문 입자의 존재를 계산했는데, 이는 더 많은 블랙홀이 그 관측 제약 내에 들어갈 수 있음을 의미할 수 있다. 간단한 암흑 양자 전기역학 모형을 사용하여, 그들은 블랙홀이 형성된 직후에 암흑 전하를 획득한다고 가설을 세웠다. 이 전하는 호킹 방출을 억제하여 감마선 배경에 미치는 영향을 최소화한다. 또한 지금쯤 폭발했을 작은 블랙홀의 수명을 연장한다.

Could We Observe an Exploding Black Hole in the Near Future?, Michael J. Baker, Joaquim Iguaz Juan, Aidan Symons and Andrea Thamm, Phys. Rev. Lett. 135, 111002 (2025), Published September 10, 2025.

나노 입자의 양자성을 발휘하기
Synopsis: Unleashing the Quantumness of a Nanoparticle

연구자들은 떠 있는 나노 구의 양자 파동 함수를 확장하여 향후 양자 물리학 시험을 향한 한 걸음을 내디뎠다.

물리학자들은 원자와 분자에 대한 간섭 실험을 수행하여 이 물체들이 동시에 두 곳에 있을 수 있음을 입증했다. 그러나 더 큰 물체로 이러한 중첩을 만드는 것은 매우 국지적인 파동 함수 때문에 어려운 일임이 입증되었다. 새로운 실험들은 공중에 떠 있는 나노 입자의 파동 함수의 공간적 범위를 3배 증가시켜, 대형 물체 양자 실험을 향한 길을 제시했다.

물체의 위치는 열적 및 환경적 영향으로 인해 항상 어느 정도 불확실하다. 그러나 그 물체가 냉각되고 고립되더라도, 그 물체의 파동 함수의 공간적 범위에 의해 주어진 양자 불확실성은 여전히 존재한다. 단일 갇힌 원자의 바닥 상태에서의 파동 함수 폭은 약 10 nm이다. 이것은 원자 자체보다 훨씬 커서 한 번에 두 곳에 있는 것처럼 보일 수 있다. 반면에, 10억 개의 원자를 가진 갇힌 나노 입자는 약 10 pm의 폭으로 훨씬 더 좁은 파동 함수를 가지고 있다.

파동 함수를 확장하는 것은 가능하지만, 가장 작은 교란이 그것을 국소화된 상태로 붕괴시킬 수 있다. 스위스 Federal Institute of Technology(ETH) Zurich의 Lucas Novotny와 동료들은 광학 트랩에 갇힌 실리카 나노 입자를 사용하여 이 도전에 나섰다. 냉각 단계를 거친 후, 연구팀은 트랩을 천천히 풀어 나노 입자의 파동 함수를 확산시켰다. 위치 측정 결과, 초기 값의 3배에 해당하는 73 pm의 파동 함수 폭이 나타났다.

관찰된 파동 함수 폭은 여전히 나노 입자의 크기보다 천 배 더 작다. Novotny는 이를 더욱 확장하기 위해 나노 입자를 자유 낙하에 두는 것이 한 가지 가능한 전략이라고 말한다. 이러한 실험은 양자 물리학이 예측하는 것처럼 큰 물체가 중첩 상태에 존재하는지(양자 물리학이 예측하는 것처럼) 또는 파동 함수가 항상 고전 상태로 붕괴하는지(일부 대안 이론이 가정하는 것처럼) 시험할 수 있다.

Quantum Delocalization of a Levitated Nanoparticle, M. Rossi, A. Militaru, N. Carlon Zambon, A. Riera-Campeny, O. Romero-Isart, M. Frimmer and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 135, 083601 (2025), Published August 19, 2025.

염분 손실이 해빙 구조를 결정한다
Focus: Salt Loss Dictates Sea-Ice Structure

바닷물을 얼리는 실험은 얼음 기공 내부의 흐름 역학을 분리하여 기후 모형의 예측력을 높일 수 있는 가능성을 열어주었다.

북극 해빙은 태양 광선을 반사하여 지구의 기후를 조절하는 데 중요한 역할을 하지만, 오늘날의 기후 모형은 해빙 감소에 대한 예측이 매우 다양하다. 연구자들은 이제 이러한 모형에서 누락된 물리적 과정, 즉 해빙의 물질 구조가 시간이 지나면서 어떻게 진화하는지를 포착했다. 그들의 실험실 실험에 따르면 어린 얼음에서 배출된 소금은 시간이 지남에 따라 다공성을 감소시키며, 이는 다시 얼음의 녹는 과정에 영향을 미치는 유체 흐름, 열 전달 및 기타 과정에 영향을 미친다.

글로벌 기후 모형의 예측력은 더 큰 대기와 해양에 영향을 미칠 수 있는 소규모 과정을 얼마나 정확하게 나타내느냐에 달려 있다. 해빙의 변화는 이러한 소규모 입력 중 하나이다. 떠다니는 얼음 조각들은 햇빛을 반사하기 때문에 태양 에너지가 바다에 덜 흡수되게 한다. 하지만 악순환의 고리에서 얼음이 녹으면 더 많은 바다가 노출되고, 이는 다시 더 많은 열을 흡수하여 얼음이 더 많이 녹게 된다. 녹는 속도는 염분과 다공성을 포함한 여러 요인에 따라 달라진다. 그러나 기후 모형은 이러한 과정들이 어떻게 서로 결합되는지에 대한 기계적 설명이 부족하다. “그래서 얼음이 소금물의 흐름과 어떻게 상호작용하는지 자세히 이해하는 것이 매우 중요합니다.”라고 중국 Tsinghua University의 Feng Wang은 말한다.

해빙은 얼면서 염분 함량을 잃는 것으로 알려져 있으며, 이로 인해 어린 얼음의 작은 주머니(또는 기공)를 차지하는 밀도가 높고 염분이 높은 물이 생성된다. 이 과정을 소금물 거부라고 한다. 실험실 연구들은 소금물 거부 반응이 얼음 구조와 기공 형성에 미치는 영향을 탐구해왔지만, 이러한 초기 실험들은 보통 일주일 미만으로 진행되었다. Wang과 그의 동료들은 거의 한 달 동안 지속된 실험을 설계하고 염분 변화에 초점을 맞췄다. “이 전례 없는 기간 덕분에 얼음 다공성의 느린 진화를 제어하는 소금 확산 시간 척도를 해결할 수 있습니다.”라고 Wang은 말한다.

연구자들은 염분이 바닷물에 가까운 염분 용액으로 채워진 24×12×6 cm3 직사각형 탱크로 시작했다. 탱크는 열 제어 측면 벽을 특징으로 했다: 왼쪽 벽은 영하의 온도로 유지되었고, 오른쪽 벽은 영상의 온도로 일정하게 유지되었다. 이 배치는 따뜻한 유체를 차가운 벽 쪽으로 운반하는 대류를 즉시 확립하여 얼음층이 형성되었다. 카메라와 염분 탐사기는 동결 과정을 지속적으로 모니터링했다.

연구진은 얼음의 형태, 염도, 다공성의 동기화된 측정값을 연관시켜 얼음 층의 전체 수명을 재구성했다. 처음 3일 동안 비교적 빠른 얼음 성장 단계가 진행된 후, Wang과 그의 동료들은 계가 안정되어 “그냥 앉아 있을 것”이라고 기대했다. 그러나 다음 2주 동안 연구팀은 얼음층이 동일한 평균 두께를 유지하면서 모양이 변하는 것을 관찰했다. 주변 액체의 염도가 증가함에 따라 얼음은 눈에 띄게 투명해지고 다공성이 줄어들었으며, 연구자들은 얼음의 진화가 담수화에 달려 있다고 의심하게 되었다.

이 진화를 더 잘 이해하기 위해, 연구자들은 먼저 얼음 안에서 소금물로 채워진 단일 기공의 움직임을 모형화했다. 얼음의 온도 기울기로 인해 기공의 한쪽이 다른 쪽보다 더 차갑다. 소금물은 차가운 쪽에서 얼어서 얼어붙는 쪽 근처의 염분을 증가시킨다. 소금은 그런 다음 따뜻한 쪽으로 확산되어 그곳을 녹게 한다. 이로 인해 기공이 천천히 따뜻한 영역으로 이동하여 결국 기공의 소금물이 주변 물에 버려지는 얼음 가장자리에 도달하게 된다. 연구자들은 확산을 통한 기공 이동이 해빙 노화의 주요 메커니즘이라고 말한다. 얼음의 최종 형태를 더 조사하기 위해 연구팀은 컴퓨터 시늉내기를 수행했으며, 이를 통해 탱크 안의 얼음이 결국 소금물로 채워진 구멍이 없는 조밀한 얼음층으로 행동한다는 것을 보여주었다.

오스트리아 Technical University of Vienna에서 다상 유체 흐름을 전문으로 하는 물리학자 Diego Perissutti는 이 연구가 염분이 얼음 미세 구조의 장기적인 진화에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 데 있어 “연구 격차를 메운다”고 말한다. 그는 모형의 단순함과 “계의 주요 특징을 정확하게 포착”할 수 있는 능력에 깊은 인상을 받았으며, 이는 대규모 기후 모형에 유용할 수 있다. Perissutti는 덜 다공성인 얼음은 녹는 속도가 느려야 한다고 말하지만, 그 결과가 해빙과 기후 예측에 어떤 영향을 미칠지 말하기에는 너무 이르다고 말한다.

Wang은 해빙의 다공성은 장기간에 걸쳐 감소할 수 있지만, 자연 환경은 많은 추가 과정의 영향을 받는다고 말한다. 그는 향후 연구는 다공성 얼음 내부의 흐름과 그 아래의 대류 유체 사이의 결합 역학을 모형화할 수 있는 수치 모형에 초점을 맞춰야 한다고 덧붙였다.

Sea Ice Aging by Diffusion-Driven Desalination, Yihong Du, Feng Wang, Enrico Calzavarini and Chao Sun, Phys. Rev. Lett. 135, 104201 (2025), Published September 5, 2025.