중력 충격파: LIGO, 225 태양질량 블랙홀 충돌 포착

우주의 헤비급 대결에서 역사상 가장 거대하고 빠르게 회전하는 블랙홀 듀오가 탄생하며, 현재의 모델과 기술의 한계를 뛰어넘었습니다. 출처: Shutterstock

LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 협력단은 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받는 LIGO 관측소를 이용하여 중력파를 통해 관측된 역대 최대 질량의 블랙홀이 합쳐지는 현상을 감지했습니다. 이 강력한 합병으로 태양 질량의 약 225배에 달하는 최종 블랙홀이 생성되었습니다. GW231123으로 명명된 이 신호는 2023년 11월 23일 LVK 네트워크의 네 번째 관측 과정에서 감지되었습니다.

레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 2015년 시공간의 파동인 중력파를 최초로 직접 감지하며 역사를 썼습니다. 당시 중력파는 블랙홀 합병으로 인해 태양 질량의 62배에 달하는 최종 블랙홀이 생성되면서 발생했습니다. 이 신호는 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸퍼드에 위치한 LIGO의 두 검출기에서 공동으로 감지되었습니다.

그 이후 LIGO 팀은 이탈리아의 Virgo 검출기 및 일본의 KAGRA(가미오카 중력파 검출기) 파트너들과 협력하여 LVK 협력단을 구성했습니다. 이 검출기들은 네 번째 실험에서 200회 이상의 블랙홀 병합을 관측했으며, 2015년 첫 번째 실험 시작 이후 총 약 300회의 블랙홀 병합을 관측했습니다.

지금까지 가장 거대한 블랙홀 합병은 2021년에 발생한 GW190521 사건으로, 태양 질량의 140배에 달했습니다.

최근의 GW231123 사건에서는 태양 질량의 225배에 달하는 블랙홀이 생성되었는데, 각각 태양 질량의 약 100배와 140배인 블랙홀이 합쳐져서 생성되었습니다.

블랙홀은 질량이 클 뿐만 아니라, 회전 속도도 매우 빠릅니다.

"이것은 중력파를 통해 관측된 가장 거대한 블랙홀 쌍성이며, 블랙홀 형성에 대한 우리의 이해에 큰 난제를 제시합니다."라고 카디프 대학교의 마크 해넘 교수이자 LVK 협력단의 일원인 마크 해넘은 말합니다. "이처럼 거대한 블랙홀은 표준 항성 진화 모델에서는 생성이 금지되어 있습니다. 한 가지 가능성은 이 쌍성계에 있는 두 블랙홀이 더 작은 블랙홀들의 합병을 통해 형성되었을 가능성이 있다는 것입니다."

캘리포니아 공과대학 LIGO의 전무이사인 데이브 라이츠는 "이번 관찰은 중력파가 우주 전체에 있는 블랙홀의 근본적이고 독특한 본질을 어떻게 독특하게 드러내는지 다시 한번 보여줍니다."라고 말했습니다.

기록을 깨는 시스템

GW231123 블랙홀의 높은 질량과 극도로 빠른 회전 속도는 중력파 검출 기술과 현재 이론 모델 모두의 한계를 뛰어넘고 있습니다. 신호로부터 정확한 정보를 추출하기 위해서는 고속 회전 블랙홀의 복잡한 역학을 설명하는 모델이 필요했습니다.

포츠머스 대학교의 찰리 호이(Charlie Hoy) 교수이자 LVK 회원은 "블랙홀은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 허용하는 한계에 가까운 매우 빠른 속도로 회전하는 것으로 보입니다."라고 설명했습니다. "이로 인해 신호를 모델링하고 해석하기가 어렵습니다. 이는 우리의 이론적 도구 개발을 촉진하는 데 매우 유용한 사례 연구입니다."

연구자들은 이러한 극한 사건을 해석하는 데 사용되는 모델을 개선하고 분석을 지속적으로 개선하고 있습니다. 버밍엄 대학교의 그레고리오 카룰로(Gregorio Carullo) 교수이자 LVK 회원은 "이 복잡한 신호 패턴과 그 의미를 완전히 밝혀내려면 수년이 걸릴 것"이라고 말합니다. "가장 유력한 설명은 블랙홀 병합이지만, 그 예상치 못한 특징을 해독하는 데는 더 복잡한 시나리오가 핵심이 될 수 있습니다. 앞으로 흥미진진한 시대가 펼쳐질 것입니다!"

중력파 천문학의 한계를 탐구하다

LIGO, Virgo, KAGRA와 같은 중력파 검출기는 격렬한 우주 사건으로 인해 발생하는 시공간의 미세한 왜곡을 측정하도록 설계되었습니다. 네 번째 관측은 2023년 5월에 시작되었으며, 관측 기간 전반부(2024년 1월까지)의 추가 관측 결과는 여름 후반에 발표될 예정입니다.

"이번 사건은 우리의 계측 및 데이터 분석 역량을 현재 가능한 한계까지 끌어올렸습니다."라고 캘리포니아 공과대학(Caltech) 박사후연구원이자 LVK 회원인 소피 비니는 말합니다. "이번 사건은 중력파 천문학에서 우리가 얼마나 많은 것을 배울 수 있는지, 그리고 앞으로 얼마나 더 많은 것을 밝혀낼 수 있는지를 보여주는 강력한 사례입니다."

GW231123은 2025년 7월 14일부터 18일까지 영국 스코틀랜드 글래스고에서 열리는 제24회 일반 상대성 이론 및 중력 국제 학술대회(GR24)와 제16회 에도아르도 아말디 중력파 학술대회(GR-Amaldi Conference on Gravitational Waves)에서 발표될 예정입니다. GW231123의 검출 및 연구에 사용된 보정 데이터는 중력파 오픈 과학 센터(GWOSC)를 통해 다른 연구자들이 분석할 수 있도록 공개될 예정입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250714052123.htm