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세 번째 발견 중력파로 쌍성 블랙홀 생성이론 밝혀지나

<KISTI의 과학향기> 제2952호

30억 광년 떨어진 곳에서 온 중력파가 검출됐다. 검증까지 완료한 중력파로는 역대 세 번째다.
 
1000여 명의 전문가 그룹으로 이뤄진 라이고 연구협력단(LIGO Scientific Collaboration, LSC)은 2015년 9월과 12월 포착한 중력파를 검증을 거친 뒤, 각각 2016년 2월과 6월에 발표한 바 있다.
 
LSC 측은 미국 워싱턴주 핸퍼드에 있는 레이저간섭계중력파관측소(LIGO)를 이용해 세 번째로 중력파를 감지하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번에 발견한 세 번째 중력파도 처음 두 발견과 마찬가지로 2017년 1월 4일 처음 포착한 뒤, 약 5개월간의 검증 기간을 거쳤다.
 
이번 중력파가 기존의 발견됐던 두 개의 중력파 보다  2배 이상 먼 곳에서 발생한 것인데다 쌍성을 이루던 두 블랙홀이 충돌하는 마지막 순간에 나온 것으로 판명되면서 관심이 집중되고 있다.
 
■ 더 멀리서 온 ‘중력파’, 우주연구의 대세로
 
아인슈타인이 1915년 3월 발표한 일반 상대성 이론에 따르면 질량이 있는 모든 물체가 움직일 때 중력파가 나온다. 중력파는 주변의 시간과 공간을 변화시키며, 그 정보를 고스란히 담은 채로 우주로 퍼져 나간다.
 
또 우주는 계속 팽창하고 있기 때문에, 더 멀리서 온 중력파의 존재는 더욱 먼 과거에서 일어난 사건을 의미한다. 이번에 발견된 세 번째 중력파는 앞서 발견된 것보다 약 2배 이상 먼 곳에서 온 것이다.
 
1차 중력파는 약 13억 광년 떨어진 곳에서 생성된 것으로 태양질량의 36배인 블랙홀과 29배인 블랙홀이 충돌할 때 생성됐고, 2차 중력파 역시 비슷한 거리에서 각각 태양질량 14배와 9배에 달하는 블랙홀이 충돌할 때 생긴 것으로 확인됐다.
 
이번에 확인된 세 번째 중력파는 약 30억 광년 떨어진 곳에서 태양질량보다 31배 큰 블랙홀과 19배 큰 블랙홀이 충돌하며 합쳐지는 마지막 순간 나온 것으로 분석됐다. 쌍성계를 이루는 블랙홀은 서로 돌다가 충돌하는 짧은 순간에 중력파를 방출한다.
 
프로젝트를 이끈 호주국립대 중력파연구센터 수잔 스콧 수석연구원은 “앞으로 검출 강도를 높여 더 멀리서 온 중력파를 찾을 수 있다면 초기 우주의 암흑물질 구성을 연구하는 데도 도움일 될 것”이라고 말했다.
 
우주 대폭발(빅뱅)으로 시공간이 흔들렸을 당시 발생한 중력파를 찾으면 초기우주는 물론 눈에 보이지 않지만 우주공간의 대부분을 차지하는 암흑물질에 관한 정보를 얻을 수 있다.
 
강궁원 한국중력파연구협력단(KGWG) 연구원은 “더 먼 과거로부터 온 다양한 중력파를 더 찾게 되면 향후 우주 연구에 있어 막힌 문제를 푸는데 돌파구가 될 것”이라고 덧붙였다.
 
■ 쌍성 블랙홀 생성 비밀, 두 개의 블랙홀이 만날까
 
질량이 태양의 수 배에서 수 백배에 달하는 별들은  밀도가 커지면서 수축해 블랙홀이 된다. 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀이 우주공간에서 홀로 존재한다면 찾을 방법이 없다.
 
하지만 두 블랙홀이 서로 가까이 위치한 쌍성 블랙홀의 존재는 확인할 수 있다. 하나의 블랙홀이 다른 블랙홀의 주위를 맴돌다 빨려들어가거나 충돌할 때 X선이나 중력파 등이 나오기 때문이다. 학자들은 두 블랙홀이 빨려 들어갈 때 나온 X선 등의 데이터를 분석해 블랙홀의 존재를 확인해 왔다. 또 최근 3번에 걸친 중력파 발견으로 쌍성 블랙홀에 대해 보다 구체적으로 알 수 있게 되었다.  
 
관측 가능한 쌍성 블랙홀이 만들어지는 두 가지 가설이 있다. 먼저 두 개의 별이 쌍성처럼 가까이서 돌다가 각각의 별이 블랙홀로 진화한다는 가설과 서로 다른 블랙홀 두 개가 가까워지면서 쌍성을 이룬다는 가설이다.
 
첫번째 가설에 따르면, 두 별의 자전 방향과 쌍성을 이뤘을 때의 궤도방향이 일치하며 블랙홀로 진화해도 방향의 변화가 생기지 않게 된다. 반면 두번째 가설이 맞다면, 따로 생성된 두 개의 블랙홀은 쌍성이 된 뒤 궤도와 자전의 방향이 이론적으로 다를 수 있다.
 
스콧 교수는 “이번에 발견한 세번째 중력파를 분석한 결과 두 개의 블랙홀이 서로 반대 방향으로 회전하며 충돌한 것을 확인했다”고 설명했다.
 
강 연구원은 “서로 다른 블랙홀이 만나 쌍성계를 형성했다는 이론을 뒷받침하는 관측 결과”라며 “앞으로 추가적인 데이터가 축적되면서 쌍성 블랙홀 형성 과정을 보다 명확히 규명할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

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