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- 2015년 9월 14일, LIGO 중력파 검출기가 블랙홀 병합으로 발생하는 중력파 최초 감지
- 처음 감지된 지 10년 만에, 미국 LIGO 검출기가 다시 한번 획기적인 사건 포착
- GW250114는 포착한 것 중 가장 큰 소리의 사건으로, 초기 속삭임에 비하면 큰 소리다.
- 호킹의 면적 정리 확인, 커(Kerr)의 계량의 증명
- 충돌로 생성된 블랙홀은 태양 질량의 약 63배, 초당 100회 회전

중력파, 호킹과 커의 블랙홀 병합 신호 확인
지금까지 가장 명확한 블랙홀 병합 신호, 두 가지 기본 이론 확인

획기적 발견:
중력파가 처음 감지된 지 10년 만에, 미국의 LIGO 검출기가 다시 한번 획기적인 사건을 포착했다. 바로 지금까지 블랙홀 병합 신호 중 가장 명확한 신호다. 이는 블랙홀에 대한 두 가지 기본 이론을 처음으로 확인시켜 준다. 첫 번째는 스티븐 호킹의 중력파 거대 천체의 표면적에 관한 것이고, 두 번째는 블랙홀을 단 두 가지 매개변수로만 설명할 수 있다는 가정이다. 

▲ 블랙홀 합병으로 인한 중력파는 이제 블랙홀에 대한 두 가지 기본 이론을 확증해 준다. © Aurore Simonnet(SSU/EdEon)/LVK/URI

거의 정확히 10년 전인 2015년 9월 14일, 미국의 LIGO 중력파 검출기가 블랙홀 병합으로 인해 발생하는 시공간적 붕괴인 중력파를 최초로 감지했다. 2017년, 미국의 LIGO 중력파 검출기는 이 발견으로 노벨 물리학상을 수상했다. 그 이후로 천체물리학자들은 중성자별 충돌과 불균등 병합 신호를 포함하여 약 220건의 중력파 현상을 추가로 포착했다. 기술의 발전 덕분에 LIGO 검출기의 감도 또한 향상되었고, 이탈리아의 Virgo 중력파 관측소와 일본의 KAGRA 중력파 관측소도 이에 동참했다.

속삭임 대신 큰 소리로 외치다

이제 또 다른 중요한 돌파구가 생겼다. 2025년 1월 14일 LIGO 검출기가 포착한 중력파 현상은 이전 어떤 것보다 선명하고 상세하다. 10분의 몇 초 동안 지속되는 시공간 진동의 신호 대 잡음비는 80대 1로, 2015년보다 4배 향상되었다. 공동 저자인 버밍엄 대학교의 게라인트 프래튼(Geraint Pratten)은 "GW250114는 우리가 포착한 것 중 가장 큰 소리의 사건으로, 초기 속삭임에 비하면 큰 소리에 가깝다"고 설명했다.

▲ GW250114 사건(오른쪽)에서 발생한 중력파는 2015년 매우 유사한 블랙홀 합병에서 발생한 신호보다 4배 더 크고 뚜렷하다. © Derek Davis/Caltech, LIGO Laboratory

이 새로운 신호는 각각 태양 질량의 약 32배에 달하는 질량을 가지고 약 13억 광년 떨어진 두 개의 블랙홀에서 생성됐다. 뉴욕 컬럼비아 대학교의 막시밀리아노 이시(Maximilliano Isi)는 "이 새로운 두 개의 블랙홀은 2015년 최초로 중력파를 감지한 역사적인 사건과 거의 비슷하다"며 "그 이후로 저희 장비가 크게 개선되어 10년 전에는 불가능했던 방식으로 오늘날 신호를 분석할 수 있게 되었다"고 말했다.

배음으로 블랙홀의 잔향 드러내다.

새로운 신호의 전례 없는 선명도와 분해능 덕분에 LIGO-Virgo-KAGRA 협력팀은 합병 후 블랙홀에서 발생하는 잔향을 최초로 더욱 자세히 분석할 수 있었다. 이 잔향은 마치 종을 울리듯 울려 수 밀리초 동안 지속되는 신호를 생성하며, 이는 중력파의 특정 "배음"으로 식별할 수 있다. Isi는 "이번 새로운 검출을 통해 합병 전후의 신호를 매우 상세하게 볼 수 있게 되었다"고 말했다.

이러한 획기적인 발견을 통해 물리학자들은 블랙홀에 대한 두 가지 근본적인 이론을 확인할 수 있었다. Isi는 "GW250114를 통해 우주에 존재하는 블랙홀이 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 법칙을 실제로 따른다는 지금까지 가장 강력한 증거를 발견했다"고 설명했다.

▲ 물리학자들은 합병 과정에서 형성된 블랙홀의 "잔광"의 배음(overtone)을 최초로 식별할 수 있었다. © Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

호킹의 면적 정리, 확인됨

현재 확인된 최초의 이론은 영국 물리학자 스티븐 호킹의 것이다. 1971년, 그는 두 개의 블랙홀이 합쳐질 때 사건의 지평선으로 둘러싸인 면적은 증가할 수 있지만 감소할 수는 없다고 가정했다. 그 이유는 블랙홀의 면적은 엔트로피에 비례하며, 열역학 법칙에 따르면 이러한 시스템에서는 엔트로피가 감소할 수 없기 때문이다. 이시와 그의 팀은 2021년 중력파 사건에서 이미 이에 대한 초기 증거를 발견했지만, 새로운 신호는 더욱 명확했다.

GW250114를 사용하여 연구팀은 99.9%의 정확도로 두 블랙홀의 면적을 최초로 측정했다. 이를 통해 합병 전 두 사건의 지평선은 약 24만 제곱킬로미터, 즉 영국 면적과 거의 같은 면적을 포함하고 있었음이 밝혀졌다. 합병으로 생성된 블랙홀의 면적은 약 40만 제곱킬로미터로, 기존 블랙홀보다 훨씬 넓다. 프래튼은 "이 데이터는 스티븐 호킹의 예측을 뒷받침한다"고 말했다.

▲ 스티븐 호킹의 면적 정리는 블랙홀의 사건 지평선으로 둘러싸인 면적이 합병 이후에만 증가할 수 있다고 말한다. © Maggie Chiang/Simons Foundation

커(Kerr) 계량의 증명

현재 확인된 두 번째 이론은 뉴질랜드 수학자 로이 커(Roy Kerr)의 이론이다. 그는 아인슈타인의 장 방정식을 바탕으로 1960년대에 회전하는 블랙홀 주변의 시공간 기하학을 설명하는 물리-수학적 체계를 개발했다. 이 커 계량은 무엇보다도 시공간과 빛이 그 결과로 어떻게 왜곡되는지를 설명한다. 또한 블랙홀은 질량과 회전(스핀)이라는 두 가지 매개변수만으로 특징지어질 수 있는 물리적으로 단순한 물체라고 명시한다.

새로운 중력파 신호는 이제 이 이론을 증명했다. 버밍엄 대학교의 그레고리오 카룰로(Gregorio Carullo)는 "처음으로 블랙홀 신호에서 두 개의 배음을 추출하여 커가 예측한 대로 정확히 동작한다는 것을 확인할 수 있었다"고 말했다. "이는 블랙홀이 커 계량을 따른다는 전례 없는 명확한 증거를 제공한다." GW250114의 경우, 충돌로 생성된 블랙홀은 태양 질량의 약 63배에 달하는 질량을 가지고 있으며 초당 100회 회전한다.

발전은 계속

이로써 블랙홀 물리학에 대한 두 가지 기본 이론, 즉 호킹 표면 정리와 커 계량이 확인되었다. 이는 천체물리학에 중요한 이정표다. 이시는 "오랫동안 이 분야는 순전히 수학적, 이론적 추측에 기반해 왔다"고 설명했다. "하지만 이제 우리는 이 놀라운 과정들을 실제로 관찰할 수 있게 되었다. 이는 이 분야에서 이룩된, 그리고 앞으로도 계속될 엄청난 발전을 강조한다.“

중력파 물리학의 다음 단계는 이미 계획되고 있다. 예를 들어, 측정 네트워크를 확장하기 위해 2030년까지 인도에 또 다른 LIGO 검출기가 건설될 예정이다. 또한, 유럽에 계획된 아인슈타인 망원경의 경우 10km, 미국의 코스믹 익스플로러의 경우 40km에 달하는 훨씬 더 긴 레이저 측정 거리를 가진 중력파 관측소 건설 계획도 있다.

참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/kw5g-d732
출처: Simons Foundation, University of Birmingham, Columbia University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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