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- 현재 이론에 따르면 항성 블랙홀에는 질량 차이가 있다.
- 65에서 120 태양 질량의 범위에는 블랙홀이 없어야 하는 간격이 있다.
- 천체 물리학자들은 이것을 Pair instability gap(쌍 불안정 간격)이라고 한다.
- 멀리 있는 블랙홀이 예기치 않게 커보이는 이유 설명 가능

블랙홀은 우주 팽창을 통해 성장할까?
우주론적 효과는 LIGO 데이터의 대형 블랙홀을 "불가능하게" 설명할 수 있다.

모델에 비해 너무 크다.
중력파에 의해 감지된 일부 블랙홀은 실제보다 더 무겁다. 최근 미국 천체 물리학자들은 우주 팽창에 대한 가능한 설명을 제안하고 있다. 이에 따르면 우주의 팽창은 또한 블랙홀의 중력에 영향을 미치고 추가 물질을 소모하지 않고도 블랙홀에 더 많은 질량을 줄 수 있다. 이것은 또한 멀리 떨어진 블랙홀이 예기치 않게 거대해 보이는 이유를 설명할 수 있다. 

▲ 우주 팽창의 영향은 일부 블랙홀이 실제보다 더 큰 이유를 설명할 수 있다. © titoOnz / 게티 이미지

현재 이론에 따르면 항성 블랙홀에는 질량 차이가 있다.
초신성에서 거대한 별이 폭발하면 최대 태양 질량 65배의 블랙홀이 발생할 수 있다. 반면에 시작 별이 200 태양 질량보다 무거우면 폭발하지 않고 블랙홀로 직접 붕괴된다. 이것은 최소 120 태양 질량을 가진다. 65에서 120 태양 질량의 범위에는 블랙홀이 없어야 하는 간격이 있다. 천체 물리학자들은 이것을 Pair instability gap(쌍 불안정 간격)이라고 한다.

그러나 지난 몇 년 동안 LIGO 및 Virgo 관측소의 중력파 탐지기는 이 간격에 질량이 있는 블랙홀을 반복적으로 포착했다. 이 항성 블랙홀의 무게는 각각 태양 질량의 80배 이상이며 따라서 현재의 설명 모델에서는 실제로 너무 어렵다.

아직 고려되지 않은 우주 팽창

이에 대한 가능한 설명은 현재 하와이 대학교 마노아 캠퍼스의 케빈 크로커(Kevin Croker)와 그의 동료들이 제안한 것이다. 그들이 보여주듯이 블랙홀을 관찰할 때 중요한 요소인 우주의 팽창이 지금까지 크게 무시되었기 때문이다. 멀리 떨어진 광원의 적색편이와 별과 은하에 대한 거리 측정은 정확한 팽창 속도가 여전히 논란의 여지가 있음에도 불구하고 우주가 초당 약 70km 및 파섹으로 팽창하고 있음을 시사한다.

그러나 블랙홀의 진화 방식을 모델링할 때 이 요소는 일반적으로 무시된다.
Croker는 "성장하지 않는 우주에서는 고려해야 할 요소가 더 적기 때문에 모델링과 아인슈타인의 방정식을 단순화한다"고 설명했다. 그러나 우리가 관측할 수 있는 데이터가 우주 팽창의 대상이 되는 더 멀리 떨어져 있는 블랙홀의 경우 그 효과가 확실히 작용할 수 있다.

▲ LIGO 관측(검은색 십자가)과 우주 팽창에 대한 결합이 없는(주황색) 및 결합이 있는(파란색) 이론적으로 모델링된 질량. © University of Hawaii/ University of Chicago/ University of Michigan

우주적 결합

천체 물리학자들이 설명하듯이, 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 알려진 해법은 우주 팽창이 특정 조건에서 블랙홀의 질량을 증가시킬 수도 있다고 제안한다. 팽창하는 시공간과 블랙홀 사이의 상호 작용은 추가 물질을 삼키지 않고도 질량과 중력을 얻도록 한다.

이 효과는 원래 질량 격차 아래에 있던 블랙홀을 장기간에 걸쳐 이 "금지 영역"으로 성장할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션의 도움으로 Croker와 그의 팀은 이제 이 가설이 관찰 및 물리 법칙과 일치하는지 테스트했다. 이것에서 그들은 초신성을 통한 쌍성들의 발달과 합병까지 블랙홀의 형성을 따랐다.

관찰과 잘 일치해

결과: 모델에 우주 팽창을 포함했다면 결과는 LIGO 관측과 잘 일치했다.
처음에 "정상적인" 블랙홀은 우주가 팽창하고 전체 우주와 거의 동시에 성장함에 따라 계속 발전했다. 그 결과, 합병 당시 일부 항성 블랙홀은 질량 간극에 있었다.

공저자인 미시간 대학의 그레고리 탈레(Gregory Tarlé)는 "이렇게 잘 작동한다는 사실에 정말 놀랐다. 아이디어가 실제로 간단하기 때문이다"고 말했다. 그리고 미래에는 팀이 설명하는 것처럼 관찰로 증명될 수도 있다. 이 우주론적 결합은 두 개의 무거운 물체의 궤도가 시간이 지남에 따라 좁아지는 비율에서도 나타나야 하기 때문이다. "차세대 중력 관측소는 이 신호를 직접 관찰할 수 있다"고 Croker와 그의 동료들은 말했다.

거대 퀘이사에 대한 설명도?

또 흥미로운 점은 블랙홀과 시공간의 우주적 결합에 대해 생각한다면 초기 초 거대질량 블랙홀이 어떻게 생겨났는지 설명할 수 있을 것이다. 연구원들이 계산한 대로, 빅뱅 직후에 생성된 블랙홀은 팽창 효과만으로도 질량이 두 배로 늘어나 125억 광년 거리에서 퀘이사로 관찰될 수 있다는 방정식을 따른다.

그러나 크로커(Croker)와 그의 팀도 인정한 것처럼 이 결합의 증거는 여전히 보류 중이다.
그들은 또한 시뮬레이션을 위해 지금까지 생각할 수 있는 여러 천체 물리학 모델 중 하나만 사용했다고 강조한다. 공저자인 시카고 대학의 마이클 제빈(Michael Zevin)은 "그래서 여전히 많은 자유가 있으며 우주론적 결합이 가능하다는 것을 알더라도 아직 그 강도를 결정할 수는 없다"고 말했다.
(Astrophysical Journal Letters, 2021; doi: 10.3847 / 2041-8213 / ac2fad)
출처: University of Hawaii at Manoa

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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