중력파, 호킹과 커의 블랙홀 병합 신호 확인
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-09-11 10:50:16
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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
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.
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.
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.
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
- 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.
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| ▲ 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.
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| ▲ 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.
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| ▲ 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.
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| ▲ 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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