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- 지난 10년 동안 감지된 중력파 현상들, 몇 가지 규칙성을 보여주지만, 동시에 의문점 제기
- 중력파 발생 건수는 이제 이러한 현상들을 정리한 일종의 주기율표를 만들기에 충분
- 우리 우주 근방에서는 1년에 14~26회의 블랙홀 합병이 1입방 기가파섹당 발생
- 현재 이론에 따르면, 초신성은 태양 질량의 65배까지만 블랙홀을 형성,
- 120 태양 질량 이상에서만 다시 블랙홀이 생성

중력파 주기율표

2015년 중력파가 처음 감지된 이후 많은 변화가 있었다. 기술적인 측면뿐 아니라 감지된 신호의 수와 다양성 측면에서도 많은 변화가 있었다. 지난 10년 동안 감지된 중력파 현상들은 몇 가지 규칙성을 보여주지만, 동시에 몇 가지 의문점을 제기한다. 

▲ 다중 메신저 천문학: 중성자별 충돌과 같은 사건은 중력파(왼쪽)와 전자기파를 모두 방출한다. © Karan Jani/Georgia Tech

"지금은 중력파 연구에 있어 매우 흥미로운 시기다. 우리는 중력에 의해 결정되는 천체물리 현상에 대한 이론적 이해를 바꿀 수 있는 분야로 나아가고 있다"고 포츠담에 있는 막스 플랑크 중력물리학 연구소의 알레산드라 부오나노(Alessandra Buonanno)는 말했다.

멀티 메신저 천문학의 실제

중력파 데이터 자체뿐만 아니라 전 세계 망원경의 관측 데이터와 결합해 새로운 통찰력을 얻을 수 있다. 중력파 검출기 중 하나가 신호를 감지하는 즉시 전 세계 천문학자들에게도 정보가 전달된다. "이제 고품질 데이터를 1분 이내에 공개할 수 있게 되었다"고 핸퍼드에 있는 LIGO의 젠 드리거스(Jenne Driggers)는 설명했다. 이를 통해 천문학자들은 일치하는 다중 메신저 신호를 찾을 수 있다.“

구체적으로 말하면, 이러한 경우 망원경은 현재 관측을 중단하고 시공간 교란의 근원에서 나오는 전자기파를 찾는다. 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 그렉 할리넌(Gregg Hallinan)은 "중력파와 전자기파가 제공하는 정보를 통해 우리는 처음으로 같은 사건을 보고 들을 수 있게 되었다"고 설명했다.

블랙홀만이 아니다.

이를 통해 천문학자들은 예를 들어 2017년 8월 17일에 감지된 중력파 사건 GW170817이 두 블랙홀의 합병이 아니라 두 개의 중성자별 충돌로 인해 발생했음을 증명할 수 있었다. 카네기 연구소의 조쉬 사이먼(Josh Simon)은 "근처 은하에서 밝고 푸른 빛의 근원을 발견했다"고 보고했다. 킬로노바(Kilonova)*에서 갑자기 나타난 이 빛점은 중력파가 발생한 지점과 정확히 일치했다.
*킬로노바 ( kilonova )는 중성자별 쌍 이나 중성자별과 블랙홀로 이루어진 연성계에서 두 천체가 충돌할 때 일어나는 순간적인 현상

▲ 2017년, 중력파 검출기가 중성자별 충돌 신호를 처음으로 기록했다. © NSF/LIGO / 소노마 주립대학교, A. Simonnet

이 원천에서 방출된 복사는 감마선에서 자외선, 가시광선, 적외선, 전파에 이르기까지 거의 모든 스펙트럼을 아우른다. 그리고 이는 두 별의 잔해가 폭발적으로 합쳐진 것이 원인임을 밝혀냈다. 그 이후로 천문학자들은 수많은 중성자별 충돌과 중성자별과 블랙홀의 파괴적인 합병을 감지해 왔다.

충돌 목록

중력파 발생 건수는 이제 이러한 현상들을 정리한 일종의 주기율표를 만들기에 충분하다. 이러한 종류의 네 번째 목록은 2025년 8월 25일에 발표되었다. 노스웨스턴 대학교의 크리스토퍼 베리(Christopher Berry)는 "이러한 발견들을 이전의 발견들과 결합하면 우주에 존재하는 쌍성계의 풍부한 다양성을 파악할 수 있다"고 설명했다. "최근 연구 결과는 블랙홀과 중성자별이 다양한 크기와 조합으로 존재한다는 것을 보여준다.”

예를 들어, 이러한 카탈로그를 통해 이중성계에서 거대한 천체들이 얼마나 자주 충돌하는지 추정할 수 있다. 이 카탈로그에 따르면 우리 우주 근방에서는 1년에 14~26회의 블랙홀 합병이 1입방 기가파섹(cubic gigaparsec)당 발생하는 것으로 추정된다.

LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 협력 연구팀의 물리학자들은 "하지만 적색 편이가 증가함에 따라 이러한 합병이 지역 우주보다 더 많이 발생한다는 사실도 관찰되었다"고 보고했다. 그들은 이러한 현상이 초기 우주에서 별 형성 속도가 더 빨랐고, 따라서 이중성계의 밀도와 수가 더 많았다는 사실에 기인한다고 설명했다.

▲ 블랙홀을 기존의 메커니즘으로 설명하기 어려운 질량 범위인 "금지 구역"이 존재한다. © Simona J. Miller/Caltech

성단의 미스터리

하지만 충돌하는 블랙홀의 질량에 대해서는 놀라운 사실들이 있다. 천체물리학자들은 "합병의 질량 분포는 일관성이 없다. 태양 질량의 10배와 35배에 해당하는 명확한 성단이 존재한다"고 보고했다. 모델 시뮬레이션은 이미 가능한 원인에 대한 초기 단서를 제공했다. 이 이론에 따르면, 근접 쌍성계에서의 상호작용으로 인해 블랙홀 원형별들이 특정 핵질량에서 우선적으로 붕괴된다. 이는 또한 특정 질량이 블랙홀에 축적되는 원인이 된다.

흥미롭게도, 틈이 있어야 할 곳에 존재하지 않는다. 현재 이론에 따르면, 초신성은 태양 질량의 65배까지만 블랙홀을 형성하며, 그 이상에서는 아직 알려진 형성 메커니즘이 없는 틈이 존재한다. 120 태양 질량 이상에서만 다시 블랙홀이 생성되는데, 이는 극도로 무거운 원형별이 직접 붕괴하여 형성된다.

그리고 사라진 질량 간격

이상하게도 이 간격은 중력파 사건의 "주기율표"에 나타나지 않는다. 대신, 검출기는 이미 이 질량 간격에 있는 블랙홀에서 여러 신호를 감지했다. LVK 협력 연구진은 "이러한 질량 간격을 시사하는, 태양 질량의 60배 이상에서 병합률이 감소했다는 증거는 발견되지 않았다"고 설명했다.

▲ 블랙홀을 기존의 메커니즘으로 설명하기 어려운 질량 범위인 "금지 구역"이 존재한다. © Simona J. Miller/Caltech

이러한 중력 거대 블랙홀의 기록은 2023년 11월 23일, 태양 질량의 100배와 140배인 블랙홀이 병합하면서 수립되었다. 그 결과 태양 질량의 225배에 달하는 거대 블랙홀이 합병했다. 카디프 대학교의 마크 해넘(Mark Hannam)은 "이 사건은 블랙홀 형성에 대한 우리의 이해에 진정한 도전을 제시한다"고 말했다. 천문학자들은 이러한 과중량 천체들이 이미 병합을 겪었으며, 이러한 이유로 질량 간격에 위치하는 것으로 추정한다.

그러나 검출된 중력파 사건 중 상당수는 여전히 해답보다는 더 많은 의문을 제기하고 있다. 또한 천체물리학자들은 2025년 말에 시작될 5번째 LIGO 검출기 가동을 포함한 추가 관측을 통해 그 기저에 있는 메커니즘과 법칙에 대한 더 많은 정보가 밝혀지기를 기대하고 있다.

연구진은 "이번 연구 결과는 밀집 쌍성계의 형성과 진화를 형성하는 과정을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대한다"며 "이는 우주 역사 전반에 걸친 천체물리학적 과정에 대한 우리의 이해를 심화시킬 것이다"고 덧붙였다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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