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- 중력파 관측소 LIGO, Virgo 및 KAGRA의 연구원들, 현재까지 블랙홀과 중성자별 간의 합병에 대한 가장 광범위한 목록 발표
- 90개의 충돌에 대한 데이터가 포함돼 있으며, 천체 물리학자들 첫 번째 법칙 식별 가능

중력파 사건의 "주기율표"
LIGO, Virgo 및 KAGRA의 새로운 데이터는 충돌의 규칙성과 이상치를 보여준다.

의미 있는 떨림:
중력파 관측소 LIGO, Virgo 및 KAGRA의 연구원들은 현재까지 블랙홀과 중성자별 간의 합병에 대한 가장 광범위한 목록을 발표했다. 여기에는 90개의 충돌에 대한 데이터가 포함돼 있으며 천체 물리학자들이 첫 번째 법칙을 식별할 수 있다. 그러나 그들 중에는 일반적인 이론과 모순되는 것처럼 보이는 여전히 수수께끼 같은 "이상치"도 있다. 

▲ 현재 감지된 90가지 중력파 사건 중에는 놀라울 정도로 가볍거나 무거운 파트너 간의 충돌이 있다. 이것은 매우 거대한 이벤트 GW190521의 시뮬레이션이다. © Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech / MAYA Collaboration

2015년 중력파를 처음 감지한 이후로 천체 물리학자들은 두 블랙홀의 합병, 중성자별의 첫 충돌, 심지어는 블랙홀과 중성자별의 불균등한 합병까지 시공간의 미묘한 진동을 통해 추적했다. 미국의 LIGO, 이탈리아의 Virgo 및 가장 최근에 일본의 KAGRA에서 얻은 데이터는 우주 과정에 대한 완전히 새로운 관점을 제시한다.

3번째주기에 35개의 새로운 이벤트

이제 LIGO-Virgo-KAGRA 공동 작업은 세 번째 관측 기간의 결과와 동시에 이전에 감지된 모든 90개의 중력파 이벤트 목록을 발표했다. 2020년 10월 마지막 카탈로그 이후 35개가 추가됐다. 탐지기가 점점 더 민감해지고, 지속적인 최적화를 통해 해결되기 때문에 검증 횟수가 증가하고 있다.

LIGO 회원인 Northwestern University의 Christopher Berry는 "세 번째 관측은 그 어느 때보다 많은 발견을 했다. 이전 발견과의 조합은 우주에 있는 쌍성계의 풍부한 다양성에 대한 놀라운 인상을 준다. 우리의 최신 결과는 블랙홀과 중성자별이 다양한 크기와 조합으로 나타난다는 것을 보여준다"고 말했다. 

▲ 처음 세 런타임(run time)의 모든 중력파(GW)-이벤트의 "주기율표"이다. © Carl Knox, Hannah Middleton, LIGO / Virgo / KAGRA

첫 번째 규칙이 보인다.

중력파 사건의 새로운 "주기율표"는 이러한 물체의 충돌과 블랙홀의 질량 및 회전에 대한 몇 가지 법칙과 경향을 처음으로 드러낸다.
한 가지 발견:
병합 이벤트의 빈도는 적색편이가 증가함에 따라 증가한다. 즉, 우리로부터의 거리가 멀어진다. 연구자들은 초기 우주에서 별 형성 속도가 더 높았고 쌍성계의 밀도와 양이 더 많았기 때문에 가능한 한 가지 이유를 보고 있다.

예상치 못한 것은 충돌하는 블랙홀의 질량이 균일한 경향을 보이지 않는다는 관찰이다.

물리학자들은 "두 개의 블랙홀이 합쳐질 때 질량 분포가 일치하지 않는다. 태양 질량 10과 35에 명확한 성단이 있다"고 보고했다. 그들은 이것이 이중 별의 형성 또는 이러한 시스템의 상호 작용과 관련이 있다고 생각한다.

결국 매스 갭(mass gap)이 있지 않을까?
훨씬 더 놀라운 것은 충돌 분포에 간격이 있는 관찰과 그렇지 않은 관찰dl다.
현재 이론에 따르면 태양 질량이 약 65배 이상인 블랙홀은 초신성에서 형성될 수 없다. 시작 별이 훨씬 더 무겁다면 폭발하지 않고 블랙홀로 직접 붕괴ehls다. 그러면 최소 태양 질량이 120이다. 따라서 이 질량 갭은 중력파 이벤트의 충돌 파트너에서도 볼 수 있어야 한다.

하지만 그렇지 않았다.
여러 사건이 발생했을 때 두 개의 블랙홀 중 더 큰 블랙홀이 실제보다 더 무거웠다. 2019년에 탐지된 GW190521 사례에서 한 파트너는 66 태양 질량에 도달했고 다른 파트너는 85 태양 질량에 도달했다.

연구원들에 따르면, 질량 격차는 존재하지 않거나 이전에 생각했던 것보다 덜 명확하게 구분된다. 과학자들은 "우리는 그러한 질량 차이를 나타내는 60 태양 질량 이상으로 병합 속도가 감소했다는 증거를 찾지 못했다"고 말했다.

▲ 결과적 블랙홀의 충돌 파트너의 질량 분포. © LIGO-Virgo / Aaron Geller / Northwestern University

"무인의 땅"에 있는 물건들

중성자별이 참여하는 충돌에도 불구하고 여전히 약간의 수수께끼 같은 ‘이상치’가 있다.
중성자별과 블랙홀의 불평등한 병합에서 태양 질량이 1.17인 더 작은 파트너는 지금까지 관찰된 중성자별 중 가장 가벼운 것 중 하나였다. 반면에 2019년에 감지된 사건은 두 개의 중성자별을 포함했지만 총 질량이 3.4 태양질량으로 이전에 알려진 모든 중성자별 이중계보다 훨씬 무거웠다.

이벤트 GW190814도 놀랍다.
그와 함께 큰 파트너는 블랙홀인 반면 작은 파트너의 무게는 2.6~2.8 태양 질량에 불과하다. 중성자별에는 너무 무겁지만 블랙홀에는 너무 가볍다. 천체 물리학자들이 설명하듯이 지금까지 태양 질량이 5배 미만인 블랙홀은 관측된 적이 없기 때문이다.

더 많은 놀라움이 있을 것으로 확신

"각각의 새로운 관찰 기간은 우리에게 새로운 발견과 놀라움을 가져다준다"고 멜버른 대학의 Hannah Middleton은 말한다. “세 번째 주기에는 중력파 탐지가 거의 일상이 되었지만, 여전히 흥미롭다. 미래의 관측은 확실히 더 특이한 사건을 발견할 것이다. 중력파 천문학은 훨씬 더 많은 것을 기대할 수 있다!”

LIGO 및 Virgo 관측소의 탐지기는 2020년 여름부터 시작되는 4주기에 중력파에 대한 더 넓은 범위와 감도를 달성하기 위해 현재 더욱 최적화된 센서와 거울을 장착하고 있다. 2020년 일본에서 가동에 들어간 KAGRA 중력파 탐지기는 합동 관측에 참여해 더욱 정밀한 측정이 가능해진다.
(Preprint, 2021년; arXiv: 2111.03634)
출처: LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, Northwestern University, Rochester Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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