[아하! 우주] 질량 다른 두 블랙홀 충돌, 최초 발견…화음 같은 중력파 발생

인류 최고의 물리학자로 꼽히는 알베르트 아인슈타인(1879~1955)은 100여 년 전인 1916년, 블랙홀끼리 병합하거나 중성자별끼리 충돌할 때 발생하는 시공간의 일그러짐이 빛의 속도로 파도처럼 전달되는 중력파가 발생한다고 예상했다. 그 후 오늘날에 일어 중력파가 실제로 검출되면서 우리는 우주에 대해 더 자세한 내용을 관측할 수 있게 됐다.

실제로 미국과 유럽의 라이고·비르고 중력파 관측단의 중력파 검출기 덕분에 지난 2015년부터 2017년까지 3년간 쌍성을 이루는 두 블랙홀 간의 충돌이 10차례나 관측됐다.

그런데 지금으로부터 1년여 전인 지난해 4월 12일, 이들 연구자는 관측 정확도의 향상으로 마치 음악의 배음 같이 조화를 이루는 서로 다른 주파수의 두 중력파를 탐지했고, 이는 24억 광년 떨어진 곳에서 우리 태양보다 각각 질량이 약 8배와 30배인 두 블랙홀이 충돌해 일으킨 시공간의 파장이라는 것이 최근에서야 밝혀졌다.

이전까지는 쌍성을 이루는 두 블랙홀은 모두 거의 비슷한 질량이었다. 이 때문에 쌍성 블랙홀의 형성 모델은 지금까지 같은 질량의 블랙홀이라는 전제가 붙었다.

현재로서 질량이 크게 다른 쌍성 블랙홀이 왜 만들어지는지에 대해서는 명확한 메커니즘이 밝혀지지 않았지만, 앞으로 그 원리를 이해하는 데 이번 연구 성과가 중요해서 천문학계의 관심이 쏠리고 있는 것으로 전해졌다.

쌍성 블랙홀이 만들어낸 시공간의 일그러짐

서로 공전하는 이들 블랙홀에서는 중력의 파장이 발생하며 충돌로 인해 발생한 중력파는 우리 지구에도 확실하게 도달해 몇십 억 광년 떨어진 곳에서도 블랙홀 간의 병합이 발생했다는 것을 알 수 있었다.

하지만 이번에 관측된 중력파는 서로 다른 두 주파수가 어우러진 신비한 것이다. 이는 마치 음악의 배음(倍音)과 같은 파장이다. 배음은 진동체가 내는 여러 가지 소리 가운데, 원래 소리보다 큰 진동수를 가진 소리로, 보통 원래 소리의 정수배가 되는 소리를 말한다. 예를 들어 라의 배음(2배음)은 1옥타브 올라간 라이고, 3배음은 2옥타브 위 미의 소리가 된다. 그리고 이들 소리는 아름답게 조화를 이룬다.

쌍성 블랙홀이 만들어내는 중력파의 주파수는 궤도를 도는 시간에 따라 만들어진다. 일반적인 쌍성 블랙홀은 같은 질량이므로 하나의 주파수로 된 중력파를 발생하지만 질량 차이가 있는 두 블랙홀이 서로 반대 방향으로 돈다면 서로 다른 주파수가 동시에 진동하는 것 같은 상태가 된다. 이는 마치 화음을 만들어내는 것 같은 상태인 것이다.

질량이 서로 다른 쌍성 블랙홀의 미스터리두 블랙홀이 각각 태양 질량의 30배와 8배가 된다는 것은 이들의 크기 차이가 3배 가까이 다르다는 것을 의미한다. 태양 질량의 8배인 블랙홀은 일반적으로 무거운 항성이 초신성 폭발을 일으킬 때 만들어지는 크기라서 드문 것은 아니다. 반면 태양 질량의 30배인 블랙홀은 중간질량 블랙홀로 분류돼 현재 우주에서 볼 수 있는 천체로는 이 무게의 블랙홀을 형성할 수 없다.

이때 생각할 수 있는 가능성은 대폭발(빅뱅) 이후 우주 원시가스에서 최초로 태어난 항성인 종족 III 항성이다. 빅뱅 직후에는 아직 우주에 수소와 헬륨밖에 없어 탄소 이상의 무거운 금속 원소가 극히 적은 상태였다. 금속이 없으면 별에 자기장과 전기장이 발생하지 않으므로 항성풍도 매우 약한 상태다. 항성풍이 없으면 외층의 물질이 날아갈 일도 없어 오늘날 별보다 매우 무거운 별이 태어나는 것이다. 따라서 질량이 크게 다른 두 블랙홀이 어떻게 쌍성을 형성했는지는 흥미로운 문제가 된다.

현재 생각할 수 있는 원인 중 하나는 이것이 원래 3중성계이거나 4중성계이고 큰 블랙홀은 이런 것들이 이미 합병했다는 것이다. 하지만 이를 확정하는 증거는 아직 나오지 않았다.

쌍성 블랙홀이 어떻게 형성되는지는 여전히 풀리지 않는 수수께끼가 많아 완벽하게 이해되지 않는다. 기존 우주물리학 모델로는 설명할 수 없어 이번 발견은 이런 문제에 대한 이해를 도우기에 중요하다.

이번 연구 성과는 최근 미국물리학회 온라인 회의에서 발표됐으며, 자세한 내용은 미 코넬대 온라인 논문저장 사이트 ‘아카이브’(ArXiv.org)에도 공개되고 있다.

사진=독일 막스 플랑크 중력 물리학연구소

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr