거대한 두 블랙홀은 편심 충돌로 병합됐을 것

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-25 16:19:59
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- 2019년 5월 LIGO와 Virgo 관측소의 중력파 탐지기는 매우 이례적인 사건의 신호 포착
- 현재 이론에 따르면 태양 질량 65~120배 범위에 블랙홀이 있을 수 없다.
- GW190521에서 2개의 블랙홀이 분명히 병합, 태양 질량 85배 및 66배보다 더 무거워
- 확인된다면 GW190521은 편심 궤도와 쌍성 블랙홀 병합의 첫 번째 증거

거인들의 충돌은 괴상했다.
병합 블랙홀에서 편심 궤도의 첫 번째 잠재적 증거


편심 거성:
현재까지 두 블랙홀 사이의 가장 거대한 충돌은 중력 거성의 최초 알려진 편심 충돌일 수도 있다. 이것은 중력파 데이터와 모델 시뮬레이션 간의 일치된 결과가 말해준다. 확인된다면 블랙홀이 현재 이론이 허용하는 것보다 더 큰 이유를 설명할 수 있다.  

▲ 천문학자들은 편심 궤도를 가진 블랙홀의 첫 번째 충돌을 관찰했을 수 있다. © Mark Myers/ ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery(OzGrav)

2019년 5월 LIGO와 Virgo 관측소의 중력파 탐지기는 매우 이례적인 사건의 신호를 포착했다. GW190521에서 2개의 블랙홀이 분명히 병합되었고, 이는 태양 질량 85배 및 66배보다 더 무거웠기 때문이다. 현재 이론에 따르면 태양 질량 65~120배 범위에 블랙홀이 있을 수 없다. 이유는 초신성은 그런 무거운 유물을 남기지 않으며, 별이 블랙홀로 직접 붕괴되면 최소 120 태양 질량이 남는다.

그러면 GW190521은 어떻게 설명해야 할까?
지금까지 천체 물리학자들은 추측만 할 수 있었다. 어떤 사람들은 이것의 배후에 있는 우주 팽창의 영향을 의심하고, 다른 사람들은 그러한 "비중" 블랙홀이 여러 번의 연속적인 합병으로 성장할 가능성이 있다고 생각한다. 이에 대한 유리한 조건은 밀집된 성단이나 은하의 중심에 존재할 수 있다.

충돌이 편심이었을까?


Gainesville에 있는 University of Florida의 V. Gayathri와 그녀의 동료들은 GW190521에서 그러한 계층적 합병의 가능한 징후를 발견했을 수 있다. 그들은 특히 두 개의 블랙홀이 충돌하기 전에 편심 궤도에서 서로를 공전한다는 증거를 찾았다. 이것은 쌍성계가 조밀한 성단에서 발생하는 것과 같은 외부 교란에 노출되었다는 표시로 간주되기 때문이다. 

▲ 대규모 충돌 GW190521은 어리둥절하지만 이전 합병의 결과일 수 있다. © LIGO/Caltech/MIT/R. 상처(IPAC)

문제는 중력파를 사용해 궤도가 편심하다는 것을 증명하는 것이 극히 어렵다는 것이다. 일반적으로 1초 미만으로 지속되는 신호에서 이러한 편심을 드러낼 수 있는 명확한 파동 특징이 지금까지 발견되지 않았기 때문이다. 따라서 현재의 분석 방법으로는 두 블랙홀의 궤도 모양을 결정할 수 없다.

일치하는 항목을 찾았다.
따라서 Gayathri와 그녀의 팀은 다른 접근 방식을 취했다.
그들은 모델에서 서로 다른 질량의 블랙홀의 611개의 편심 및 920개의 비편심 병합을 시뮬레이션했다. 그 과정에서 방출된 중력파를 재구성하여 GW190521과 일치하는 항목을 검색했다.

두 블랙홀이 상당히 편심한 궤도에서 서로 궤도를 도는 시나리오에서 모델과 관측 사이의 가장 가까운 일치가 달성됐다. 데이터에 따르면 편심률은 약 0.69일 수 있다. 비교를 위해 지구의 궤도는 0에서 1까지의 범위에서 0.017의 값을 가지며 최근에 발견된 외계행성의 극도로 편심한 궤도는 0.96이다.

계층적 합병의 잠재적 표시


확인된다면 GW190521은 편심 궤도와 쌍성 블랙홀 병합의 첫 번째 증거가 될 수 있다.
Gayathri와 그녀의 팀은 시뮬레이션을 통해 LIGO와 Virgo가 감지한 중력파 현상의 8~13%가 이러한 편심 충돌에서 비롯될 수 있다는 결론을 내렸다.

공동 저자인 뉴욕 로체스터 공과대학(Rochester Institute of Technology)의 마누엘라 캄파넬리(Manuela Campanelli)는 "이것은 블랙홀이 어떻게 병합되는지에 대한 우리의 이해가 크게 발전했음을 나타낸다. 동시에 이것은 GW190521의 비정상적으로 거대한 블랙홀이 실제로 계층적 합병의 결과라는 표시를 제공할 수 있다“고 말했다.
팀에 따르면 이 시나리오는 높은 편심률과 높은 질량으로 이어질 수 있다.
(Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-021-01568-w)
출처: 로체스터 공과대학

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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