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물리학에서 표면 중력(表面重力, 영어: surface gravity)은 주어진 물체의 표면에서의 중력장의 세기다.

일반 상대성 이론에서의 표면 중력

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일반 상대성 이론에서는 지평선에서의 표면 중력을 정의한다. 블랙홀의 표면 중력이란 그 주위의 사건 지평선의 표면 중력을 일컫는다.

킬링 지평선에서 킬링 벡터 k μ {\displaystyle k^{\mu }} 를 다음과 같이 규격화하였다고 하자. 지평선에서 무한히 떨어진 경우 ( r {\displaystyle r\to \infty } ), k 2 = 1 {\displaystyle k^{2}=-1} 이 되게 한다. 이렇게 하였을 때, 지평선 위에서

k μ k ; μ ν = κ k ν {\displaystyle k^{\mu }k_{;\mu }^{\nu }=\kappa k^{\nu }}

라면 κ {\displaystyle \kappa } 를 킬링 지평선의 표면 중력이라고 한다.

커-뉴먼 블랙홀의 표면 중력

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커-뉴먼 계량에서 r + {\displaystyle r_{+}} 사건 지평선의 위치, r {\displaystyle r_{-}} 코시 지평선의 위치라고 하자. 이는

r ± = G ( M ± M 2 Q 2 J 2 / M 2 ) {\displaystyle r_{\pm }=G(M\pm {\sqrt {M^{2}-Q^{2}-J^{2}/M^{2}}})}

이다. 여기서 M {\displaystyle M} 은 블랙홀의 질량, Q 4 π ϵ 0 G {\displaystyle Q{\sqrt {4\pi \epsilon _{0}G}}} 는 전하, J G / c {\displaystyle JG/c} 는 각운동량이다. 이 경우, 표면 중력은

κ = r + r 2 ( r + 2 + ( J / M ) 2 ) {\displaystyle \kappa ={\frac {r_{+}-r_{-}}{2(r_{+}^{2}+(J/M)^{2})}}}

이 된다.

정적이지 않은 블랙홀의 표면 중력

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정적이지 않은 블랙홀의 경우 위의 정의를 사용할 수 없다. 문헌에서는 정적이지 않는 경우에 대한 표면 중력의 정의가 여러 개 발표되었으나, 아직 어떤 정의가 옳은지 확실치 않은 상태다.[1][2]

각주

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  1. Nielsen, Alex B.; Jong Hyuk Yoon (2008년 4월). Dynamical surface gravity (영어). Classical and Quantum Gravity 25 (8): 5010. arXiv:0711.1445. Bibcode:2008CQGra..25h5010N. doi:10.1088/0264-9381/25/8/085010. ISSN 0264-9381. 
  2. Pielahn, Mathias; Gabor Kunstatter; Alex B. Nielsen. Dynamical surface gravity in spherically symmetric black hole formation (영어). Physical Review D 84 (10): 4008. arXiv:1103.0750. Bibcode:2011PhRvD..84j4008P. doi:10.1103/PhysRevD.84.104008. ISSN 1550-7998.