역대 최대 규모 블랙홀 합병 관측
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-07-15 17:55:50
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- 이 사건은 2023년 11월 23일 미국에 있는 두 대의 LIGO 중력파 검출기에 의해 감지
- GW231123으로 명명된 이 충돌은 약 30억 광년 떨어진 곳에서 발생했을 것으로 추정
- 현재 모델 이론:일반적인 핵붕괴 초신성은 최대 태양 질량의 약 65배인 블랙홀만 가능
- 두 파트너 중 태양 질량의 140배에 달하는 무거운 천체는 합병 일어나기에 너무 무겁다.
- 연구계가 GW231123의 복잡한 신호 패턴
중력파 관측소인 LIGO, Virgo, KAGRA는 지난 10년 동안 블랙홀 합병에서 약 300개의 신호를 감지했다. 대부분 경우, 두 개의 충돌 파트너는 거대한 쌍성계의 중심핵 붕괴 초신성 폭발로 인해 발생했다. 하지만 크기가 매우 다르거나 비정상적으로 무거운 블랙홀 등 설명하기 어려운 이상 현상도 있었다. 사건들의 질량 분포에 나타난 뚜렷한 간극 또한 수수께끼를 던진다.
거대 블랙홀의 충돌
새로운 기록을 경신하는 사건이 발생했다. 이 사건은 2023년 11월 23일 미국에 있는 두 대의 LIGO 중력파 검출기에 의해 감지되었다. 이 검출기는 두 블랙홀의 합병을 나타내는 다섯 번의 진동 주기를 기록했다. GW231123으로 명명된 이 충돌은 LVK 협력팀의 보고에 따르면 30억 광년 이상 떨어진 곳에서 발생했을 것으로 추정된다.
특이한 점은 분석 결과 두 개의 주요 블랙홀이 각각 태양 질량의 100배와 140배에 달하는 것으로 나타났는데, 이는 그 자체로 진정한 거대 블랙홀이었다. 카디프 대학교의 마크 해넘은 "이것은 중력파를 관측한 지금까지 관측된 가장 거대한 블랙홀 쌍이다"고 말했다. 이 합병으로 생성된 블랙홀은 엄청난 질량으로 놀라움을 선사한다. 추정 질량이 태양 질량의 225배에 달하는 새로운 기록을 세웠다. 이전에 가장 무거운 충돌 생성물인 GW190521의 질량은 태양 질량의 140배에 불과했다.
"금지 구역"에서
이러한 무거운 별들의 충돌과 그 결과는 천체물리학자들에게 난제를 제기한다. 해넘은 "이 사건은 블랙홀 형성에 대한 우리의 이해에 진정한 난제를 제기한다"고 말했다. 초기 두 천체는 이미 항성 진화의 "금지 구역"에 있다. 그 이유는 현재 모델에 따르면 일반적인 핵붕괴 초신성은 최대 태양 질량의 약 65배인 블랙홀만 생성할 수 있기 때문이다.
그러나 최대 태양 질량 300배에 달하는 것으로 알려진 가장 무거운 별의 경우, 다른 메커니즘이 작용한다. 쌍불안정성 초신성에서 블랙홀로 직접 붕괴될 수 있다. 그러나 그 결과로 생성되는 블랙홀의 질량은 최소 태양 질량의 130배다. 이로 인해 65배와 130배 사이에 질량 차이가 발생하는데, 이 간격에서는 항성 블랙홀이 실제로 생성되어서는 안 된다. "이 정도 질량의 블랙홀은 항성 진화의 표준 모형에서는 금지되어 있다"고 해넘은 말했다.
계층적 합병의 산물일까?
하지만 GW231123의 경우, 두 충돌 파트너 모두 이 금지 구역 내에 있는 것으로 보인다. 연구팀은 "이는 이 블랙홀들이 일반적인 별의 붕괴와는 다른 방식으로 형성되었음을 시사한다"고 설명했다. 그렇다면 어떻게 그럴 수 있을까? 이에 대한 첫 번째 단서는 두 충돌 파트너의 또 다른 특징에서 찾을 수 있다. 두 블랙홀 모두 최대 가능 속도의 80~90%에 달하는 비정상적으로 빠른 속도로 회전하고 있다. 포츠머스 대학교의 찰리 호이는 "이들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 허용하는 한계에 가깝게 움직이고 있다"고 설명했다.
이는 두 개의 초기 천체가 각각 이전 합병의 산물이었음을 시사할 수 있다. 그 결과 생성된 블랙홀은 종종 추가적인 회전을 얻게 되기 때문이다. 하지만 두 파트너 중 태양 질량의 140배에 달하는 더 무거운 천체는 실제로 그러한 합병조차 일어나기에는 너무 무겁다. 연구팀의 설명에 따르면, 그렇다면 그 "조상" 중 적어도 하나는 "금지 구역"에 위치해야 하기 때문이다.
미스터리는 여전히 남아
"연구계가 GW231123의 복잡한 신호 패턴과 그 모든 의미를 완전히 이해하려면 수년이 걸릴 수 있다"고 버밍엄 대학교의 공동 연구원인 그레고리오 카룰로(Gregorio Carullo)는 말한다. "현재로서는 계층적 합병이 가장 유력한 설명으로 보이지만, 그 이면에 더 복잡한 시나리오가 있을 수도 있다. 따라서 여전히 흥미로울 수 있다.“
캘리포니아 공과대학교의 소피 비니(Sophie Bini)도 비슷한 견해를 가지고 있다. "이번 사건은 중력파 천문학에서 우리가 얼마나 많은 것을 배울 수 있는지, 그리고 아직 발견해야 할 것이 얼마나 많은지를 보여주는 강력한 사례다.”
(24th International Conference on General Relativity and Gravitation, 2025; arXiv-Preprint doi: 10.48550/arXiv.2507.08219)
출처: California Institute of Technology, University of Birmingham
- 이 사건은 2023년 11월 23일 미국에 있는 두 대의 LIGO 중력파 검출기에 의해 감지
- GW231123으로 명명된 이 충돌은 약 30억 광년 떨어진 곳에서 발생했을 것으로 추정
- 현재 모델 이론:일반적인 핵붕괴 초신성은 최대 태양 질량의 약 65배인 블랙홀만 가능
- 두 파트너 중 태양 질량의 140배에 달하는 무거운 천체는 합병 일어나기에 너무 무겁다.
- 연구계가 GW231123의 복잡한 신호 패턴
거대 블랙홀 합병 관측, 역대 최대 규모
기록 경신 중력파 사건은 천체물리학자들의 수수께끼다.
"금지된" 질량:
LIGO 중력파 검출기가 여러 질량 기록을 경신하는 블랙홀 합병을 발견했다. 태양 질량의 100배와 140배에 달하는 두 개의 원래 블랙홀은 예상보다 더 무겁다. 이들은 "금지 구역"에 위치하기 때문이다. 이는 천체물리학자들에게 수수께끼다. 이 충돌로 태양 질량의 225배에 달하는 블랙홀이 생성되었다. 이는 지금까지 관측된 합병 생성물 중 단연 가장 무거운 것이다.
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| ▲ LIGO 검출기는 지금까지 가장 거대한 블랙홀 합병에서 발생하는 중력파를 감지했다. © NASA/Ames Research Center/C. Henze |
중력파 관측소인 LIGO, Virgo, KAGRA는 지난 10년 동안 블랙홀 합병에서 약 300개의 신호를 감지했다. 대부분 경우, 두 개의 충돌 파트너는 거대한 쌍성계의 중심핵 붕괴 초신성 폭발로 인해 발생했다. 하지만 크기가 매우 다르거나 비정상적으로 무거운 블랙홀 등 설명하기 어려운 이상 현상도 있었다. 사건들의 질량 분포에 나타난 뚜렷한 간극 또한 수수께끼를 던진다.
거대 블랙홀의 충돌
새로운 기록을 경신하는 사건이 발생했다. 이 사건은 2023년 11월 23일 미국에 있는 두 대의 LIGO 중력파 검출기에 의해 감지되었다. 이 검출기는 두 블랙홀의 합병을 나타내는 다섯 번의 진동 주기를 기록했다. GW231123으로 명명된 이 충돌은 LVK 협력팀의 보고에 따르면 30억 광년 이상 떨어진 곳에서 발생했을 것으로 추정된다.
특이한 점은 분석 결과 두 개의 주요 블랙홀이 각각 태양 질량의 100배와 140배에 달하는 것으로 나타났는데, 이는 그 자체로 진정한 거대 블랙홀이었다. 카디프 대학교의 마크 해넘은 "이것은 중력파를 관측한 지금까지 관측된 가장 거대한 블랙홀 쌍이다"고 말했다. 이 합병으로 생성된 블랙홀은 엄청난 질량으로 놀라움을 선사한다. 추정 질량이 태양 질량의 225배에 달하는 새로운 기록을 세웠다. 이전에 가장 무거운 충돌 생성물인 GW190521의 질량은 태양 질량의 140배에 불과했다.
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| ▲ LIGO 검출기 핸포드(왼쪽)와 리빙스턴에서 관측된 GW231123 사건의 중력파 신호. © LVK Collaboration / arXivCC-by 4.0 |
"금지 구역"에서
이러한 무거운 별들의 충돌과 그 결과는 천체물리학자들에게 난제를 제기한다. 해넘은 "이 사건은 블랙홀 형성에 대한 우리의 이해에 진정한 난제를 제기한다"고 말했다. 초기 두 천체는 이미 항성 진화의 "금지 구역"에 있다. 그 이유는 현재 모델에 따르면 일반적인 핵붕괴 초신성은 최대 태양 질량의 약 65배인 블랙홀만 생성할 수 있기 때문이다.
그러나 최대 태양 질량 300배에 달하는 것으로 알려진 가장 무거운 별의 경우, 다른 메커니즘이 작용한다. 쌍불안정성 초신성에서 블랙홀로 직접 붕괴될 수 있다. 그러나 그 결과로 생성되는 블랙홀의 질량은 최소 태양 질량의 130배다. 이로 인해 65배와 130배 사이에 질량 차이가 발생하는데, 이 간격에서는 항성 블랙홀이 실제로 생성되어서는 안 된다. "이 정도 질량의 블랙홀은 항성 진화의 표준 모형에서는 금지되어 있다"고 해넘은 말했다.
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| ▲ 합체된 두 블랙홀은 "금지 구역"에 위치한다. 이 구역은 블랙홀을 기존의 메커니즘으로 설명하기 어려운 질량 범위다. © Simona J. Miller/Caltech |
계층적 합병의 산물일까?
하지만 GW231123의 경우, 두 충돌 파트너 모두 이 금지 구역 내에 있는 것으로 보인다. 연구팀은 "이는 이 블랙홀들이 일반적인 별의 붕괴와는 다른 방식으로 형성되었음을 시사한다"고 설명했다. 그렇다면 어떻게 그럴 수 있을까? 이에 대한 첫 번째 단서는 두 충돌 파트너의 또 다른 특징에서 찾을 수 있다. 두 블랙홀 모두 최대 가능 속도의 80~90%에 달하는 비정상적으로 빠른 속도로 회전하고 있다. 포츠머스 대학교의 찰리 호이는 "이들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 허용하는 한계에 가깝게 움직이고 있다"고 설명했다.
이는 두 개의 초기 천체가 각각 이전 합병의 산물이었음을 시사할 수 있다. 그 결과 생성된 블랙홀은 종종 추가적인 회전을 얻게 되기 때문이다. 하지만 두 파트너 중 태양 질량의 140배에 달하는 더 무거운 천체는 실제로 그러한 합병조차 일어나기에는 너무 무겁다. 연구팀의 설명에 따르면, 그렇다면 그 "조상" 중 적어도 하나는 "금지 구역"에 위치해야 하기 때문이다.
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| ▲ 모체 블랙홀 중 하나 또는 둘 다 합병의 결과로 생성되었을 가능성이 있다. © Simona J. Miller/Caltech |
미스터리는 여전히 남아
"연구계가 GW231123의 복잡한 신호 패턴과 그 모든 의미를 완전히 이해하려면 수년이 걸릴 수 있다"고 버밍엄 대학교의 공동 연구원인 그레고리오 카룰로(Gregorio Carullo)는 말한다. "현재로서는 계층적 합병이 가장 유력한 설명으로 보이지만, 그 이면에 더 복잡한 시나리오가 있을 수도 있다. 따라서 여전히 흥미로울 수 있다.“
캘리포니아 공과대학교의 소피 비니(Sophie Bini)도 비슷한 견해를 가지고 있다. "이번 사건은 중력파 천문학에서 우리가 얼마나 많은 것을 배울 수 있는지, 그리고 아직 발견해야 할 것이 얼마나 많은지를 보여주는 강력한 사례다.”
(24th International Conference on General Relativity and Gravitation, 2025; arXiv-Preprint doi: 10.48550/arXiv.2507.08219)
출처: California Institute of Technology, University of Birmingham
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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