2개의 블랙홀이 충돌하여 합체. '중간 질량 블랙홀'을 형성할 때 발생한 관측 사상 최대의 중력파를 검출

태양의 85배의 질량을 가진 블랙홀과 66배의 질량을 가진 블랙홀이 충돌하여 합체했을 때 발생한 것으로 간주되는 사상 최대의 중력파가 검출되었습니다. 지금까지 관측되어 온 블랙홀은 대부분 태양 질량의 수십 배 정도인 항성 질량 블랙홀 또는 태양 질량의 100만 배 이상인 초거대 질량 블랙홀로 분류할 수 있었습니다. 하지만 이번에 관측된 중력파는 '중간 질량 블랙홀'이 형성될 때 발생했을 가능성이 지적되고 있습니다.

GW190521
https://www.ligo.org/detections/GW190521.php

A 'bang' in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet - ScienceDaily
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200902082341.htm

A 'bang' in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet: A binary black hole merger likely produ

2019년 5월 21일 'GW190521'라고 명명된 신호를, 미국 루이지애나에 있는 레이저간섭계 중력파관측소인 LIGO에서 검출하는 데 성공했습니다. 검출된 신호는 4개의 짧은 소폭의 신호로, 지속시간은 10분의 1초 미만으로 매우 짧은 것이었다고 합니다.

첨단 계산 도구 및 모델링 도구를 기반으로 한 분석 결과 GW190521은 약 5gigaparsec(약 163억 광년) 거리에서 발생한 중력파인 것이 판명되었습니다. 이것은 지금까지 발견된 중력파 중 가장 먼 곳에서 발생한 것이라고 합니다. 또한 이 중력파는 블랙홀끼리 충돌하고 합체했을 때 발생한 것일 가능성이 높다고 연구진은 생각하고 있습니다.

지금까지 발견되어 온 거의 모든 중력파 신호는, 두 개의 블랙홀 또는 두 개의 중성자별이 충돌하여 합체했을 때 발생했습니다.

새로 발견된 중력파도 약 85태양 질량의 블랙홀과 약 66태양 질량의 블랙홀이 충돌하고 합체했을 때 발생하는 것으로 분석되고 있습니다. 또한, 2개의 블랙홀이 합체한 결과, 142태양 질량의 중간 질량 블랙홀이 탄생되었다고 추측합니다.

연구팀은 발견된 2개의 블랙홀의 자전을 측정한 결과, 블랙홀이 서로 접근하면서 주회하여, 궤도축과 어긋난 각도로 자전하고 있을 가능성을 발견했습니다. 블랙홀의 회전축이 어긋난 이유로는, 두 블랙홀이 서로를 향해 소용돌이 칠 때 세차운동을 일으켰을 가능성이 있기 때문이라고 지적되고 있습니다.

태양 질량의 142배의 질량을 가진 중간 질량 블랙홀이 탄생한 결과, 8태양 질량에 해당하는 막대한 에너지가 중력파의 형태로 우주 전체에 확산됐다고 연구팀은 주장하고 있습니다.

연구팀의 일원이며, 프랑스의 국립과학연구센터(CNRS)의 연구원이기도 한 넬슨 크리스텐슨 씨는 "이번에 검출된 중력파는 매우 강렬한 것으로 LIGO와 Virgo가 발견한 가장 큰 신호입니다"라며 흥분을 감추지 못합니다.

다음은 2개의 블랙홀이 충돌 & 합체하고, 중간 질량 블랙홀이 탄생하는 순간까지를 수치 시뮬레이션하여, 시각화한 영상입니다.

Numerical simulation of a heavy black-hole merger (GW190521) - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=zRmwtL6lvIM

마지막으로 형성된 중간 질량 블랙홀을 만들어 낸 두 개의 블랙홀도 그 크기에 특징이 있습니다.

항성 진화에 대해, 물리학에서는 별의 핵 속에 있는 광자나 가스에 의한 외적 압력이, 내적으로 향하는 중력에 대항하여 별을 유지하고 태양처럼 안정된 상태를 유지하고 있다고 생각되어 왔습니다. 거대한 별의 핵의 경우, 철과 같은 무거운 핵이 융합하여, 외층을 지지하기 위한 충분한 압력을 낼 수 없게 됩니다. 이런 '외적 압력이 중력보다 낮은 상태'가 되면, 별은 자중(自重)에 의해 붕괴하여 '초신성 폭발'이라는 폭발을 일으켜 블랙홀을 형성합니다. 이 블랙홀의 질량은 원래 별의 절반 이하입니다.

따라서 예를 들어 130태양 질량의 별이 초신성 폭발하면 블랙홀은 최대 65태양 질량일 것입니다. 그러나 130 ~ 250태양 질량의 별의 경우, 초신성 폭발보다 큰 에너지를 방출하는 pair-instability supernova 현상이 일어나기 때문에, 120태양 질량 이상의 블랙홀이 형성되어 버린다고 합니다. 즉, pair-instability supernova 현상이 존재하는 한, 65 ~ 125태양 질량의 블랙홀이 형성되지 않을 것이라고 생각되어 왔습니다.

그러나 이번 발견으로 중간 질량 블랙홀을 형성 한 2개의 블랙홀은 각각 66태양 질량, 85태양 질량이라는 '형성되지 않아야 할 질량을 가진 블랙홀'이었기 때문에, "왜 이 같은 질량의 블랙홀이 형성된 것인가를 많은 천체물리학자가 이해하려고 분주하게 될 것입니다"라고 연구에 참여한 크리스텐슨 씨는 말합니다.