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사상 최대 질량의 블랙홀 합병, LIGO를 통해 관측됨

 (caltech.edu)
1P by GN⁺ 1일전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • LIGO-Virgo-KAGRA 협력단이 중력파로 관측된 사상 최대 질량의 블랙홀 합병을 탐지함
  • 이번 합병으로 태양 질량의 약 225배에 해당하는 블랙홀이 형성됨
  • 이 합병은 기존 표준 별 진화 이론으로 설명할 수 없는 고질량으로, 이론과 관측의 한계를 시험함
  • 관련 과학자들은 급격한 회전과 복잡한 신호 분석으로 인해 블랙홀 연구 및 알고리듬 개발이 진전될 전망임
  • 이번 관측은 중력파 천문학의 데이터 분석, 기기 기술, 이론 발전의 새로운 전환점임

LIGO, Virgo, KAGRA의 사상 최대 질량 블랙홀 합병 탐지

LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 협력단은 미국 국립과학재단(NSF)에서 지원하는 LIGO 관측소를 이용해, 중력파로 관측된 사상 최대 질량의 블랙홀 합병 현상을 발견함. 이번 합병에서 형성된 최종 블랙홀은 태양 질량의 약 225배에 이르는 것으로 밝혀짐. 해당 중력파 신호는 GW231123으로 명명되어, 2023년 11월 23일에 LVK 네트워크의 네 번째 관측 기간 중 탐지됨.

LIGO의 역사와 진화

LIGO는 2015년 중력파의 최초 직접 관측을 성공시켜 큰 주목을 받았으며, 당시에도 블랙홀 충돌 후 태양 질량의 62배 크기 블랙홀을 감지함. 루이지애나 리빙스턴과 워싱턴 핸포드에 각각 위치한 LIGO 쌍둥이 탐지기가 이 신호를 공동으로 포착함. 이후 LIGO는 이탈리아의 Virgo, 일본의 KAGRA와 협력해 LVK 협력단을 구성함. 2015년 이후 네 번의 관측 주기 동안 300건 이상의 블랙홀 합병 현상을 관측함.

최근의 기록적 합병 사건

이전에 가장 질량이 컸던 블랙홀 합병은 2021년의 GW190521 사건으로, 총 질량이 태양의 140배였음. 이번 GW231123 사건에서는 태양 질량의 100배와 140배에 해당하는 블랙홀 두 개가 합쳐져 225배 질량의 블랙홀이 만들어짐. 이 블랙홀들은 매우 빠른 속도로 회전하고 있는 것으로 추정됨.

LVK 협력단의 Mark Hannam은 "관측된 이 블랙홀 이중계는 기존 별 진화 이론으로는 설명이 어려우며, 아마도 더 작은 블랙홀들의 중첩적 합병이 원인일 가능성을 내포함"이라고 밝힘. LIGO의 Dave Reitze는 "중력파 관측을 통해 블랙홀의 본질과 우주의 이색적인 특성을 밝히는 데 큰 진전이 있었음"이라고 언급함.

기록 갱신과 과학적 도전

GW231123에서 나타난 고질량 및 극한의 고속 회전은 현재 중력파 검출 기술과 이론 모델의 한계를 시험함. 아인슈타인 일반상대성이론이 허용하는 한계에 근접하는 빠른 회전으로 인해 신호 해석과 모델링이 매우 어려워짐. Portsmouth 대학의 Charlie Hoy는 "이 사례는 이론적 도구와 알고리듬 개발의 중대한 진전 기회를 제공함"이라고 평가함.

연구진은 이 신호의 패턴과 의미를 완전히 해독하는 데 수년이 걸릴 것으로 예상함. Birmingham 대학의 Gregorio Carullo는 "합병 자체가 가장 유력한 설명이나, 기존 이론으로 설명되지 않는 복잡한 현상으로 인해 새로운 해석의 실마리 가능성도 내포함"이라고 분석함.

중력파 천문학의 한계를 확장함

LIGO, Virgo, KAGRA와 같은 중력파 탐지기는 우주 초대형 물리 현상에 의해 발생하는 미세한 시공간 변형을 측정함. 이번 네 번째 관측 주기는 2023년 5월부터 시작되었으며, 추가 데이터는 2024년 여름에 공개 예정임. Caltech의 Sophie Bini는 "이번 사건이 데이터 분석과 기기 기술의 현 한계를 극복하는 실제 사례이며, 향후 중력파 천문학 연구에 많은 가능성을 시사함"이라고 설명함.

GW231123 결과는 2025년 7월 14~18일, 스코틀랜드 글래스고에서 열리는 GR24/Amaldi 컨퍼런스에서 발표될 예정임. GW231123에 사용된 보정 데이터는 Gravitational Wave Open Science Center(GWOSC)를 통해 공개되어, 국내외 과학자들이 추가 연구에 활용할 수 있음.

LIGO-Virgo-KAGRA 협력단 소개

  • LIGO는 미국 NSF의 지원으로 Caltech과 MIT에서 운영하며, 독일(Max Planck Society), 영국(Science and Technology Facilities Council), 호주(Australian Research Council)에서 주요 지원을 받음. 1,600명 이상의 전 세계 과학자들이 참여함
  • Virgo Collaboration은 유럽 17개국 152개 기관 소속 약 880명으로 구성됨. 이탈리아 Pisa 근교에 위치한 Virgo 탐지기는 EGO(유럽중력파관측소) 및 CNRS(프랑스 국립과학연구센터), INFN(이탈리아 국립핵물리연구소), Nikhef(네덜란드 국가핵물리연구소)가 공동 지원함
  • KAGRA는 일본 Gifu의 Kamioka에 3km 암장 길이의 레이저 간섭계로 위치하며, 도쿄대 ICRR(우주선연구소), 국립천문대(NAOJ), 고에너지 가속기연구기관(KEK)이 공동 주관함. 17개국/지역 128개 기관 400명 이상이 참여함

추가 정보 또는 연구자료는 각 기관의 공식 웹사이트에서 확인 가능함

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GN⁺ 1일전  [-]
Hacker News 의견
  • 약 225 태양질량의 블랙홀은 각각 약 100 및 140 태양질량의 블랙홀이 융합되어 만들어짐을 의미함, 그렇다면 15 태양질량이 에너지로 전환된 것인지 궁금함, 왜냐하면 그건 엄청난 양의 에너지이기 때문임
    • Tsar Bomba 핵무기가 약 2.3kg의 물질을 에너지로 변환했다고 볼 수 있음, 태양 한 질량은 약 2 x 10^30 kg이므로, 이번 사건은 10^31개의 Tsar Bomba와 같은 에너지를 방출한 셈임, 이 정도 숫자는 직관적으로 와닿지 않아 다시 생각해봄, 태양은 수명 전체 동안 약 0.034%만을 에너지로 방출함, 즉 태양 한 질량만큼의 에너지는 태양 3,000개 수명 전체와 맞먹음, 이번 사건에서 방출된 에너지는 태양 약 45,000개 수명 전체 에너지와 같음, 이 중 대부분이 합병 마지막 몇 초 동안 방출됐을 거라 생각함, 참고: 에너지 환산 계산 참고 자료, 태양 질량 손실 참고 자료
    • 에너지로 전환되어 블랙홀에서 빠져나왔다는 것인데, 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀에서 어떻게 그렇게 되는지 잘 이해가 되지 않음, 만약 중력파의 형태라면 대부분의 에너지가 이 방식으로 탈출한다는 당연한 결론에 도달함, 호킹 복사를 기다릴 필요가 없음
    • 그 질량은 어떤 형태의 에너지로 전환되는 것인지 궁금함
    • 인간이 상상할 수 있지만, 그 순간에 관측 가능한 우주의 모든 별이 내보내는 에너지보다 더 많음
    • 맞음, 그럼에도 중력은 너무 약하여 이 엄청난 에너지가 지구와 달 사이 거리에서 머리카락 굵기 정도의 상대적 수축(10^-20 미만)으로 나타남
  • 이 현상은 정말 흥미로움, "블랙홀들이 매우 빠르게 회전하고 있으며, 이는 일반상대성이론이 허용하는 한계에 거의 접근함"이라고 University of Portsmouth의 Charlie Hoy가 설명함, 그로 인해 신호 모델링과 해석이 어려움, 이 케이스는 이론적 도구 개발을 진전시키는 데 훌륭한 스터디 케이스임
    • 자연이 우리에게 일반상대성이론에 대한 스트레스 테스트를 던져준 느낌임
    • 구형 천체가 회전하는 것만으로도 중력파가 발생하는지 궁금함
  • 한 달 전 제안된 NSF 예산안에서 미국 내 두 곳 중 한 곳의 LIGO 관측소를 폐쇄할 가능성이 있었으며, 이는 이런 블랙홀 병합과 같은 이벤트의 위치를 삼각측량하는 능력을 크게 망칠 것임, 폐쇄는 노이즈 한계와 탐지율에도 심각한 타격을 주게 됨, 아직 폐쇄 계획이 실현되는지 아는 사람 있는지 궁금함, 참고 링크
    • 제안 예산안은 내일(7월 15일, 12:00)에 심사될 예정임, 현재 NSF 예산은 약 70억 달러로 FY2025 대비 23% 삭감됨, 정확히 LIGO에 어떤 영향을 주는지는 모르겠음, 예산안 상세 링크
    • 지난주 Pisa의 virgo ego(사실상 LIGO의 사촌) 이벤트에 참석함, 중력파 발견 10주년 기념 행사였는데, 이탈리아 프로그램 디렉터가 쓴 책을 배우가 낭독했고, 색소폰으로 파동 소리를 연주함, 감동을 말로 표현할 수 없음, virgo 센터 소장과 과학 커뮤니케이터를 인터뷰하는 시간도 있었는데, LIGO의 예산 삭감 가능성에 대해 소장은 꽤나 분노한 상태였음, 그럴만함
    • FY 2026 최종 예산안이 두 곳의 LIGO를 유지하는지 계속 지켜볼 필요 있음, 그 전까지는 여전히 실질적인 위험임, 하지만 아직 완전히 돌이킬 수 없는 상황은 아님
    • 현재 전세계적으로 몇몇 중력파 관측기가 운용되고 있는데, 왜 한 곳의 LIGO 폐쇄가 삼각측량에 치명적인지 궁금함
    • 어쩌면 2023년의 이번 발견이 지금에서야 논문으로 발표되는 것이 그 이유일 수도 있음
  • 난 정말 좋은 소식이 필요함, 이런 종류의 발견이 언젠가 실질적으로 인류의 삶을 더 낫게 실용적으로 활용될 수 있는 길이 있을지 (아주 간접적이어도 됨) 상상력을 자극해 줄 수 있는지 묻고 싶음, "기초 연구의 유용성" 논쟁은 아니고, 그 자체로 가치 있다는 점은 동의하지만, 이게 장기적으로 어떻게 유용할지 상상이 잘 안 됨
    • 비전문가지만 흥미로워하는 사람임, 이런 발전에는 분명 긍정적인 점이 있음, 그 중 하나는 중력파가 우주 초기의 사건을 우리에게 알려 주는 신호가 된다는 점임, 예를 들어 코스믹 마이크로파 배경 복사(CMB)는 빅뱅/인플레이션 직후 방출된 초기 광자의 신호임, 하지만 우주는 처음 30만 년간 광자에 불투명했음에도 우리는 이 데이터를 토대로 우주론 이론을 검증·반증해 왔음, 그런데 중력파는 광자와 달리 무엇에도 막히지 않으며 우주 창조 시점부터의 신호를 전달하므로 더욱 명확한 정보를 줄 수 있음, 이로 인해 양자역학·상대성이론 등 기초 물리의 새로운 인사이트가 가능해질 수 있음, 이것은 포톤·중성미자·중력파 세 가지로 이벤트를 관측하는 멀티 메신저 천문학으로 이어져 더욱 깊은 통찰을 얻을 수 있다고 생각함, 이런 기초 물리의 진보가 장기적으로 지구에서의 삶을 개선시킨 사례가 많았다는 점에서 낙관적인 시선을 가질 수 있음, 세상이 좀 더 좋아진다는 희망을 갖기를 바람
    • “이 연구가 장기적으로 어떻게 유용해질까?”라는 질문엔 솔직히 모름, 다만 블랙홀은 과학적으로 우리가 아는 한계에 가장 근접해 있음, 사건의 지평선 너머에서 무슨 일이 일어나는지는 전혀 모름(실험적으로도 영원히 모를 수 있음), 더 많이 알게 되면 때로는 돌파구가 생겨 기술 발전이 뛰어넘게 되는 경우가 종종 있음, 잠재력이 가장 큰 분야임, 대부분의 경우 진전은 실제 관련 업계 외에는 꽤 ‘지루함’
    • 이런 연구의 실질적 유용성은 “결과 자체”가 아니라, 그 결과를 얻기 위한 방법론에 있음, LIGO는 극도의 정밀 레이저, 안정된 플랫폼, 극한의 위치 측정, 엄청난 소프트웨어 등이 필요함, 이런 “필요”가 실제 발전과 혁신을 불러옴, 예를 들어 천문학의 부수 효과로 CMOS 센서(디지털 카메라)가 만들어짐, 휴대폰 카메라를 쓸 때 “이게 별 거리 측정 연구에서 나왔다”고 생각하지는 않지만 그런 효과임
    • 역사 속에서 부유한 문명들은 자신들의 위대함을 보여주기 위해 기념비적인 건물을 지음, 이처럼 우리는 지금 기초 연구에 사회의 생산성을 투자하는 큰 예술작품을 만드는 것과 같음, 블랙홀 병합 탐지는 실용적 이득이 없음에도 우주의 본질을 발견하려는 지적 기념비임, 고대 이집트인들이 지금까지 기억되는 것처럼 우리의 업적도 오래 남길 바람
  • 블랙홀의 이벤트 호라이즌(사건의 지평선)은 항상 구형이라고 생각했음, 그런데 내 물리학적 직관은 두 블랙홀이 병합할 때 병합 직후 블랙홀이 최소한 초기에는 “땅콩 모양”이 되지 않을까라는 생각이 듦, 내부 질량 분포에 따라 불규칙한 형태가 계속 유지될 수도 있음
    • 이벤트 호라이즌이 구형이 되는 것은 슈바르츠실트(비회전) 블랙홀일 때임, 회전하는 블랙홀은 Kerr 블랙홀이라 불리며 기이한 현상이 많음, 외부에는 ergosphere라는 이상한 외곽 경계가 있고, 이곳에서는 시공간이 끌려가 정지해 있을 수 없고 블랙홀을 이용해 물체에 가속을 줄 수도 있음, 내부에는 Cauchy horizon이라는 더 이상한 경계가 있어 이론적으로 시간여행이 가능함, 특이점은 고리 형태임, 병합 과정에선 이 현상이 훨씬 이상해질 것이라고 생각함, Kerr metric 위키, Kerr 블랙홀 연구 논문, Ergosphere 위키, Cauchy horizon 위키, 연구를 하면서 업데이트함, 복잡해서 정확히 맞는지는 장담 못하지만 최선을 다한 설명임
    • 사건의 지평선 형태에 대해 말하는 것은 어렵다고 생각함, 왜냐하면 보통 구의 정의가 “한 점에서 등거리인 모든 점의 집합”이지만 미분 가능한 다양체에서는 이미 복잡하며, 특이점으로 인해 거리가 무한대가 되어버리거나 기하구조상 기준점이 유일하지 않을 수도 있음, 그래서 보통 “구와 동일한 위상(topology)을 갖는 일정한 스칼라 곡률의 면”으로 정의를 바꿈, 이것이 평면이나 쌍곡면과 구분되는 점임, 내 직관으론 Kerr 블랙홀이나 병합 중 블랙홀의 경우 박하 모양(땅콩 모양)이 될 것 같음(아마 안장점도 존재할 것임), 좌표적으로는 확실히 그렇지만 좌표계 선택에 따라 Schwarzschild 블랙홀도 좌표상 땅콩 모양이 될 수 있음, 그래서 좌표는 크게 의미 없다고 생각함
    • MIT/CalTech에서 만든 병합 애니메이션이 있음, 애니메이션 영상
    • 우리의 관점에서는 이벤트 호라이즌이 실제로 완성된 상태는 아님, 붕괴하는 별이 블랙홀 상태에 도달하는 데는 외부 관찰자 기준으로 무한한 시간이 걸림, 대부분 상황에선 붕괴 별이 블랙홀인 것처럼 보이지만, 블랙홀 병합 과정에서는 이벤트 호라이즌이 완전히 형성되지 않아 에너지가 방출될 수 있음, 이런 경우엔 중요한 차이가 생김
  • 한 블랙홀이 초상대론적 속도로 다른 블랙홀을 관통하듯 지나가면 무슨 일이 생길지 궁금함
    • 블랙홀 주변의 시공간은 극한으로 휘어져 있음, “광속에 근접해서 서로 충돌한다”라고 쉽게 상상하지만, 블랙홀에선 시공간이 서로 엇갈려서, 한쪽이 다가올수록 속도가 완전히 멈춘 것처럼 보일 수도 있음, 관찰자의 위치와 속도에 따라 전혀 다르게 관측될 수 있음, 기본적인 것조차 합의하기 힘듦, 예를 들어 뭔가가 블랙홀에 빨려들어 가는 것도(그게 다른 블랙홀이어도) 외부에선 속도가 0에 수렴하며, 붉은색으로 소멸하는 듯 보일 뿐 실제로 떨어지는 순간을 볼 수 없게 됨, 정말 어렵고 직관에 어긋남
    • 두 블랙홀은 결국 합쳐져서 운동량을 합한 블랙홀이 됨, 이벤트 호라이즌에서 아무것도 빠져나올 수 없기 때문에 블랙홀은 사실상 완전히 끈적거리는 성질을 가짐
    • 이벤트 호라이즌 내부에서는 탈출 속도가 광속보다 빠르므로, 블랙홀은 그 이상 빠르게 서로 접근할 수 없음, 궤도가 완벽히 일치한다면 서로의 중력을 벗어날 수 없음, 두 블랙홀이 서로를 관통해서 지나간다기보다 초강력 자석이 충돌하는 모습과 비슷함
    • 이런 걸 실험해볼 수 있게 우주 입자가속기를 설치할 수 없다는 게 아쉬움
  • LIGO, Virgo, KAGRA가 이처럼 극한의 신호를 실제로 탐지하고 해석해낸다는 것이 신기함
  • LIGO의 예산 전망이 궁금함, 지난주 BBB 통과 시 예산 삭감됐는지 궁금함
  • 블랙홀이 충돌하면 무슨 일이 일어나는지 궁금함, 한 블랙홀이 다른 블랙홀을 “집어삼키는지”, 아니면 더 큰 블랙홀이 되는지, 더 밀도가 높아지는지 혹은 단순히 더 커지는지 알고 싶음
    • 더 큰 블랙홀로 합쳐지고, 질량 대부분은 보존되며 일부는 중력파로 방출됨, 질량이 반지름에 비례하기 때문에 병합으로 밀도는 오히려 낮아짐, 예를 들어 여러 블랙홀을 한줄로 늘어놓고 병합시킨다면 전체를 감싼 구 공간 자체가 블랙홀이 되는 셈임, 우주 전체 질량의 블랙홀은 우주만큼 큰 부피가 됨
    • 더 질량이 큰 블랙홀로 결합됨, 이벤트 호라이즌까지 포함한 부피는 오직 질량에 따라서만 결정되므로 어떻게 만들어졌든, 같은 질량이면 같은 밀도임, “집어삼킴”에 대해서는, 천 조각을 찢다가 두 개의 구멍이 만나 한 개로 합쳐지는 걸 보면 과연 큰 구멍이 작은 구멍을 삼킨 것이라 표현할 수 있을지 애매함
    • 내부에서 무슨 일이 일어나는지는 알 수 없음, 블랙홀은 질량, 스핀(각운동량), 전하 세 가지 양으로만 정의됨, 합병 후 이 양이 더해지는 것으로 예상함, 빠른 회전은 합병 후 스핀이 비등점에 가깝게 될 수 있고, 중력파가 초과 스핀의 에너지를 가져갈 수도 있음
    • 내 이해로는 두 블랙홀이 서로에게 돌면서 영원히 접근함, 우리의 입장에서는 실제로 블랙홀 안으로 뭔가가 떨어지는 걸 볼 수 없음, 시간 팽창 때문에 아무 것도 실제로 지평선을 넘는 걸 볼 수 없음, 자세한 설명은 여기에 있음 시간 팽창 관련 Q&A
    • 원리상 두 블랙홀은 질량이 합해지며 더 커진 블랙홀이 됨, 그렇게 증가한 질량이 더 큰 중력을 만들어 이벤트 호라이즌이 바깥으로 넓어짐
  • 웨이브폼(Chirp)이 없다면 일어난 게 아니라는 농담임
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