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- 이 사건은 2023년 11월 23일 미국에 있는 두 대의 LIGO 중력파 검출기에 의해 감지
- GW231123으로 명명된 이 충돌은 약 30억 광년 떨어진 곳에서 발생했을 것으로 추정
- 현재 모델 이론:일반적인 핵붕괴 초신성은 최대 태양 질량의 약 65배인 블랙홀만 가능
- 두 파트너 중 태양 질량의 140배에 달하는 무거운 천체는 합병 일어나기에 너무 무겁다.
- 연구계가 GW231123의 복잡한 신호 패턴

거대 블랙홀 합병 관측, 역대 최대 규모
기록 경신 중력파 사건은 천체물리학자들의 수수께끼다.

"금지된" 질량:
LIGO 중력파 검출기가 여러 질량 기록을 경신하는 블랙홀 합병을 발견했다. 태양 질량의 100배와 140배에 달하는 두 개의 원래 블랙홀은 예상보다 더 무겁다. 이들은 "금지 구역"에 위치하기 때문이다. 이는 천체물리학자들에게 수수께끼다. 이 충돌로 태양 질량의 225배에 달하는 블랙홀이 생성되었다. 이는 지금까지 관측된 합병 생성물 중 단연 가장 무거운 것이다. 

▲ LIGO 검출기는 지금까지 가장 거대한 블랙홀 합병에서 발생하는 중력파를 감지했다. © NASA/Ames Research Center/C. Henze

중력파 관측소인 LIGO, Virgo, KAGRA는 지난 10년 동안 블랙홀 합병에서 약 300개의 신호를 감지했다. 대부분 경우, 두 개의 충돌 파트너는 거대한 쌍성계의 중심핵 붕괴 초신성 폭발로 인해 발생했다. 하지만 크기가 매우 다르거나 비정상적으로 무거운 블랙홀 등 설명하기 어려운 이상 현상도 있었다. 사건들의 질량 분포에 나타난 뚜렷한 간극 또한 수수께끼를 던진다.

거대 블랙홀의 충돌

새로운 기록을 경신하는 사건이 발생했다. 이 사건은 2023년 11월 23일 미국에 있는 두 대의 LIGO 중력파 검출기에 의해 감지되었다. 이 검출기는 두 블랙홀의 합병을 나타내는 다섯 번의 진동 주기를 기록했다. GW231123으로 명명된 이 충돌은 LVK 협력팀의 보고에 따르면 30억 광년 이상 떨어진 곳에서 발생했을 것으로 추정된다.

특이한 점은 분석 결과 두 개의 주요 블랙홀이 각각 태양 질량의 100배와 140배에 달하는 것으로 나타났는데, 이는 그 자체로 진정한 거대 블랙홀이었다. 카디프 대학교의 마크 해넘은 "이것은 중력파를 관측한 지금까지 관측된 가장 거대한 블랙홀 쌍이다"고 말했다. 이 합병으로 생성된 블랙홀은 엄청난 질량으로 놀라움을 선사한다. 추정 질량이 태양 질량의 225배에 달하는 새로운 기록을 세웠다. 이전에 가장 무거운 충돌 생성물인 GW190521의 질량은 태양 질량의 140배에 불과했다.

▲ LIGO 검출기 핸포드(왼쪽)와 리빙스턴에서 관측된 GW231123 사건의 중력파 신호. © LVK Collaboration / arXivCC-by 4.0

"금지 구역"에서

이러한 무거운 별들의 충돌과 그 결과는 천체물리학자들에게 난제를 제기한다. 해넘은 "이 사건은 블랙홀 형성에 대한 우리의 이해에 진정한 난제를 제기한다"고 말했다. 초기 두 천체는 이미 항성 진화의 "금지 구역"에 있다. 그 이유는 현재 모델에 따르면 일반적인 핵붕괴 초신성은 최대 태양 질량의 약 65배인 블랙홀만 생성할 수 있기 때문이다.

그러나 최대 태양 질량 300배에 달하는 것으로 알려진 가장 무거운 별의 경우, 다른 메커니즘이 작용한다. 쌍불안정성 초신성에서 블랙홀로 직접 붕괴될 수 있다. 그러나 그 결과로 생성되는 블랙홀의 질량은 최소 태양 질량의 130배다. 이로 인해 65배와 130배 사이에 질량 차이가 발생하는데, 이 간격에서는 항성 블랙홀이 실제로 생성되어서는 안 된다. "이 정도 질량의 블랙홀은 항성 진화의 표준 모형에서는 금지되어 있다"고 해넘은 말했다.

▲ 합체된 두 블랙홀은 "금지 구역"에 위치한다. 이 구역은 블랙홀을 기존의 메커니즘으로 설명하기 어려운 질량 범위다. © Simona J. Miller/Caltech

계층적 합병의 산물일까?

하지만 GW231123의 경우, 두 충돌 파트너 모두 이 금지 구역 내에 있는 것으로 보인다. 연구팀은 "이는 이 블랙홀들이 일반적인 별의 붕괴와는 다른 방식으로 형성되었음을 시사한다"고 설명했다. 그렇다면 어떻게 그럴 수 있을까? 이에 대한 첫 번째 단서는 두 충돌 파트너의 또 다른 특징에서 찾을 수 있다. 두 블랙홀 모두 최대 가능 속도의 80~90%에 달하는 비정상적으로 빠른 속도로 회전하고 있다. 포츠머스 대학교의 찰리 호이는 "이들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 허용하는 한계에 가깝게 움직이고 있다"고 설명했다.

이는 두 개의 초기 천체가 각각 이전 합병의 산물이었음을 시사할 수 있다. 그 결과 생성된 블랙홀은 종종 추가적인 회전을 얻게 되기 때문이다. 하지만 두 파트너 중 태양 질량의 140배에 달하는 더 무거운 천체는 실제로 그러한 합병조차 일어나기에는 너무 무겁다. 연구팀의 설명에 따르면, 그렇다면 그 "조상" 중 적어도 하나는 "금지 구역"에 위치해야 하기 때문이다.

▲ 모체 블랙홀 중 하나 또는 둘 다 합병의 결과로 생성되었을 가능성이 있다. © Simona J. Miller/Caltech

미스터리는 여전히 남아

"연구계가 GW231123의 복잡한 신호 패턴과 그 모든 의미를 완전히 이해하려면 수년이 걸릴 수 있다"고 버밍엄 대학교의 공동 연구원인 그레고리오 카룰로(Gregorio Carullo)는 말한다. "현재로서는 계층적 합병이 가장 유력한 설명으로 보이지만, 그 이면에 더 복잡한 시나리오가 있을 수도 있다. 따라서 여전히 흥미로울 수 있다.“

캘리포니아 공과대학교의 소피 비니(Sophie Bini)도 비슷한 견해를 가지고 있다. "이번 사건은 중력파 천문학에서 우리가 얼마나 많은 것을 배울 수 있는지, 그리고 아직 발견해야 할 것이 얼마나 많은지를 보여주는 강력한 사례다.”

(24th International Conference on General Relativity and Gravitation, 2025; arXiv-Preprint doi: 10.48550/arXiv.2507.08219)
출처: California Institute of Technology, University of Birmingham

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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