사상 최대 질량의 블랙홀 합병, LIGO를 통해 관측됨

• 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