태양 225배 질량 가진 거대 블랙홀이…

미국·이탈리아·일본에 있는 중력파 관측 장치를 이용한 국제 공동 연구 네트워크인 LVK(LIGO-Virgo-KAGRA)가 사상 최대 규모 블랙홀 합체를 검출했다. 이 합체로 태양 225배 질량을 가진 거대 블랙홀이 탄생했다.

미국 핸퍼드에 있는 중력파 관측소 LIGO는 2015년 세계에서 처음으로 중력파를 직접 검출한 시설. 이때 검출한 중력파는 두 블랙홀 합체로 발생한 것으로 최종적으로 태양 62배 질량을 가진 블랙홀이 형성됐다.

그 후 LIGO는 이탈리아 Virgo, 일본 KAGRA와 협력해 국제 공동 연구 네트워크인 LVK를 결성했다. 이로 인해 LIGO 뿐 아니라 Virgo와 KAGRA도 활용해 2015년 처음 중력파를 관측한 이래 300회 블랙홀 합체를 관측하는 데 성공했다.

지금까지 관측한 중에서 가장 대규모 블랙홀 합체는 2021년 발생한 GW190521이라는 사건이었다. 이때 합체로 생성된 블랙홀 질량은 태양 140배였다.

나아가 2023년 11월 23일 관측된 중력파 GW231123에서는 태양 100배와 140배 질량을 가진 블랙홀이 합체해 태양 225배 질량을 가진 블랙홀이 탄생했다. 이번에 보고된 건 이 GW231123에 관한 것.

이번에 합체한 블랙홀은 단순히 질량이 클 뿐 아니라 고속으로 회전하고 있기도 하다. 이에 대해 LVK 멤버인 카디프 대학 마크 한남 교수는 이는 중력파를 통해 관측된 중에서 가장 질량이 큰 블랙홀 연성계이며 블랙홀 형성 이해에 진정한 도전을 던지는 것이라며 이토록 거대한 블랙홀은 표준적인 항성 진화 모델에서는 존재가 허용되지 않는다고 밝혔다. 이어 한 가지 가능성으로 이 연성계에 있는 두 블랙홀은 더 작은 블랙홀 합체로 형성됐을 가능성마저 있다며 한 번 합체해 형성된 블랙홀이 다시 합체해 거대해졌을 가능성을 시사했다.

캘리포니아공과대학 LIGO 이그제큐티브 디렉터인 데이비드 라이체 교수는 이번 관측은 중력파가 어떻게 우주 전체에 걸친 블랙홀에 대한 근본적이고 이질적인 성질을 독특한 방법으로 드러내고 있는지를 다시 한번 증명하고 있다고 말했다.

GW231123에서 관측된 블랙홀 대질량과 극도로 빠른 회전은 중력파 검출 기술과 기존 이론 모델 모두의 한계를 넓히고 있다. 신호에서 정확한 정보를 추출하려면 고속 회전하는 블랙홀에 대한 복잡한 역학을 고려한 모델 사용이 필요했다.

LVK 멤버인 포츠머스 대학의 찰리 호이 교수는 블랙홀은 매우 빠른 속도로 회전하고 있는 것으로 보인다며 아인슈타인의 일반상대성이론 한계에 가까운 속도라면서 따라서 신호 모델링과 해석이 어렵다며 이는 이론적 도구 개발을 전진시키기 위한 뛰어난 사례 연구라고 밝혔다. 이어 이 복잡한 신호 패턴과 의미를 커뮤니티가 완전히 해명하는 데는 수년이 걸릴 것이며 가장 가능성 높은 설명은 여전히 블랙홀 합체지만 더 복잡한 시나리오가 그 예상치 못한 특징을 해독하는 열쇠가 될 가능성이 있다고 말했다.

LVK에 의한 4기 관측은 2023년 5월 시작됐으며 전반부 추가 관측 데이터는 올 여름 후반에 공개 예정이다.

한편 GW231123은 2025년 7월 14~18일 스코틀랜드 글래스고에서 개최되는 GR-Amaldi에서 합동으로 개최되는 제24회 국제 일반상대성이론과 중력 회의(GR24) 및 제16회 에도아르도 아말디 중력파 회의에서 발표될 예정이다. GW231123 검출과 연구에 사용된 교정 데이터는 중력파 오픈사이언스센터(GWOSC)를 통해 다른 연구자가 분석할 수 있도록 공개된다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.