은하 중심에 있는 거대한 구멍은 합쳐질 수 없어야 하지만 합쳐집니다. 과학자들은 특이한 형태의 암흑 물질이 해결책이 될 수 있다고 제안합니다.
소개
은하계는 우주 역사를 통해 점점 더 큰 구조로 합쳐져 왔습니다. 은하가 합쳐지면 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀도 결국 합쳐져 훨씬 더 거대한 블랙홀을 형성하게 됩니다.
하지만 수십 년 동안 천체물리학자들은 '초거대질량 블랙홀이 나선형으로 서로 합체할 수 있을 만큼 가까워지려면 어떻게 해야 하는가?'라는 질문에 직면해 있었습니다. 계산에 따르면 수렴 구멍이 소위 최종 파섹(약 1파섹 또는 3.26광년의 거리)에 도달하면 진행이 멈춥니다. 그들은 본질적으로 서로 무한히 궤도를 돌아야 합니다.
밴더빌트 대학의 천체물리학자 스티븐 테일러는 "나선 내 시간은 우주의 나이만큼 높을 수 있다고 생각됐다"고 말했다. “사람들은 병합 블랙홀이 생기지 않을까 걱정했습니다.”
그들이 합쳐졌다는 증거가 나왔습니다. 작년에 펄서 타이밍 배열(pulsar timing array)로 알려진 맥동하는 별들의 미묘한 움직임을 관찰한 결과 우주 중력파의 배경 소음, 즉 시공간 구조의 잔물결이 드러났습니다. 이러한 중력파는 병합에 가까운 서로 1파섹 내에서 촘촘하게 공전하는 초대질량 블랙홀에서 발생할 가능성이 높습니다. 플로리다 대학의 천체 물리학자인 로라 블레차(Laura Blecha)는 “이것은 블랙홀 바이너리가 최종 파섹 문제를 극복했다는 첫 번째 증거”라고 말했습니다.
그렇다면 그들은 어떻게 하는 걸까요?
천체물리학자들은 암흑물질이 두 개의 블랙홀에서 각운동량을 약화시켜 두 블랙홀을 더 가깝게 만들 수 있다는 새로운 제안을 내놓았습니다.
암흑물질은 우주에서 아직 발견되지 않은 85%의 물질을 가리키는 용어이다. 우리는 은하계와 우주 구조에 대한 중력 효과를 볼 수 있지만 현재로서는 그것이 무엇인지 알아낼 수 없습니다. 이 보이지 않는 형태의 물질을 구성할 수 있는 가장 단순한 가상 입자는 블랙홀 합병을 촉진하는 데 도움이 되지 않습니다. 그러나 이번 여름, 캐나다의 물리학자 그룹은 자기 상호작용하는 암흑 물질이라는 더 복잡한 것이 가능하다고 주장했습니다. 이 입자들은 서로 1파섹 내에 떨어뜨릴 만큼 거대 블랙홀을 끌어당길 수 있습니다. 이 설명이 옳다면 “암흑물질은 우리가 생각했던 것만큼 단순하지 않다는 사실을 말해줄 것”이라고 토론토 대학의 이론물리학자이자 저자 중 한 명인 곤잘로 알론소-알바레즈(Gonzalo Alonso-Álvarez)는 말했습니다.
그러다가 9월에 별도의 물리학자 그룹이 때때로 퍼지 암흑 물질이라고 불리는 또 다른 암흑 물질 후보도 성공할 수 있다고 지적했습니다.
퍼즐에 대한 더 평범한 해결책도 수년에 걸쳐 떠 올랐습니다. 평범하고 이국적인 옵션 등 다양한 옵션이 있는 가운데 과학자들은 서로의 가능성을 테스트할 방법을 고안하고 있습니다.
"이 시점에서 대부분의 커뮤니티는 최종 파섹 문제가 해결되었다는 사실을 거의 당연하게 여깁니다."라고 문제에 대한 몇 가지 해결책을 연구한 웨스트 버지니아 대학의 이론 천체물리학자인 Sean McWilliams가 말했습니다. "유일한 질문은 이 문제를 해결하는 가장 효율적인 방법은 무엇입니까?"
두 사람의 탱고
작은 블랙홀 - 별 크기의 물체가 밀도가 너무 높아 중력이 너무 가까이 다가가는 모든 것, 심지어 빛까지도 가두기 때문에 은하계 전체에 뿌려집니다. 그들은 개별 별의 중력 붕괴로 형성됩니다. 그러나 은하 중심에서 발견되는 초대질량 블랙홀은 수십억 개의 태양만큼 무거울 수 있어 더욱 신비롭고 영향력이 큽니다. 그들은 어떻게든 주변 은하계의 형성과 진화를 조종합니다.
두 은하가 합쳐지면 별, 가스, 암흑 물질과의 중력 상호 작용으로 인해 두 개의 초대질량 블랙홀이 서로를 향해 천천히 떨어지게 됩니다. 천체 물리학자들은 1980년에 동적 마찰이라고 불리는 이 과정을 처음으로 설명했습니다. 매디슨 위스콘신 대학교의 천체 물리학자인 댄 후퍼는 "이것이 블랙홀이 가까워지는 주요 방법으로 생각됩니다"라고 말했습니다.
Quanta Magazine의 Merrill Sherman
그러나 블랙홀의 질량에 따라 기술적으로는 1파섹에서 몇 파섹에 이르는 특정 지점에서 동적 마찰은 "매우 효과적인 것으로 판명되었습니다"라고 Hooper는 말했습니다. 여기, 합쳐지는 은하의 중심에서 두 개의 블랙홀이 물질을 먹어치우고 멀리 던져버리며 틈을 만듭니다. 결과적으로 별과 가스의 밀도가 급격히 떨어지면서 블랙홀은 상대적으로 빈 공간에 남게 됩니다. 주변에 속도를 늦추는 물체가 없으면 거의 끝없이 서로 궤도를 돌게 됩니다.
Alonso-Álvarez는 "지구는 태양 주위를 공전하고 있으며 우리는 서로 떨어지지 않습니다"라고 말했습니다. 두 개의 블랙홀에 대해서도 마찬가지입니다. "이 에너지를 추출하는 무언가가 없는 한 궤도에는 각운동량 보존이 있어 낙하를 방지합니다."
Alonso-Álvarez와 동료들이 Physical Review Letters에서 제안한 것처럼 자체 상호작용하는 암흑 물질이 이러한 역할을 할 수 있습니다. 7월에. 이 유형은 소위 차가운 암흑 물질(가장 단순한 종류의 가상 암흑 물질 입자로 무겁고 느리며 불활성임)과는 다릅니다. 차가운 암흑물질은 중력을 통하지 않고는 어떤 것과도 상호작용하지 않으므로 블랙홀의 중력 영향은 블랙홀이 최종 파섹에 도달하기 훨씬 전에 근처에서 이를 쫓아내야 합니다.
그러나 자기 상호 작용하는 암흑 물질은 그들 사이에 작용하는 적어도 하나의 힘을 갖는 가벼운 입자로 구성됩니다. 자체 상호 작용하는 암흑 물질 입자는 테이블 위의 당구 공처럼 서로 흩어지기 때문에 쉽게 흩어지지 않고 대신 블랙홀의 발뒤꿈치를 잡아당겨 속도를 늦춥니다. Alonso-Álvarez는 "그것은 거기에 머물면서 마찰을 일으킵니다."라고 말했습니다. "일종의 점도가 있습니다." 이러한 마찰은 1억년 이내에 합병으로 이어져 최종 파섹 문제를 해결할 수 있습니다.
"초경량" 또는 "퍼지" 암흑 물질은 거대한 파도를 형성하기 위해 함께 모이는 극도로 작은 질량을 가진 입자로 구성됩니다. 이 입자들은 또한 은하 중심에 집중되어 블랙홀과 마찰을 겪게 되어 흐릿한 암흑 물질이 "각운동량과 궤도 에너지를 효율적으로 운반"할 수 있게 된다고 한국 중원대학교 우주학자이자 Physics Letters B 9월 논문의 공동 저자인 이재원이 말했습니다. 아이디어를 설명합니다. 블랙홀은 이 암흑물질을 분산시키기보다는 종처럼 진동하게 만들 것입니다.
오컴의 면도날
초대질량 블랙홀이 어떻게 병합되는지 설명하기 위해 그러한 이국적인 물리학을 적용해야 한다고 모든 사람이 확신하는 것은 아닙니다. 예일대학교의 이론천체물리학자인 프리얌바다 나타라잔(Priyamvada Natarajan)은 “자기 상호작용하는 암흑물질이 필요하다고는 말할 수 없다”고 말했다.
또 다른 가능성은 별들이 합쳐지는 블랙홀을 지나 회전하고 그들을 하나로 모으기에 충분한 각운동량을 제거할 수 있다는 것입니다. 아마도 별들은 다른 별들과의 상호 작용을 통해 은하계의 다른 곳에서 블랙홀 방향으로 무작위로 던져지게 될 것입니다. 하버드 대학의 이론 천체 물리학자인 파비오 파쿠치(Fabio Pacucci)는 “중심에 있는 두 개의 초대질량 블랙홀 가까이에 수많은 별이 있다면 점점 더 많은 각운동량을 추출할 수 있습니다.”라고 말했습니다.
그러나 모델링 결과, 최종 파섹 문제를 해결하기 위해 블랙홀을 향해 충분한 별을 흩뿌리기가 어렵다는 것이 나타났습니다.
또는 각 블랙홀 주위에 작은 가스 디스크가 있을 수 있으며, 이러한 디스크는 구멍에 의해 형성된 빈 영역을 둘러싸는 더 넓은 디스크에서 물질을 끌어올 수 있습니다. Taylor는 "그들 주변의 디스크는 더 넓은 디스크로부터 공급을 받고 있으며 이는 차례로 그들의 궤도 에너지가 더 넓은 디스크로 누출될 수 있음을 의미합니다."라고 말했습니다. Natarajan은 "매우 효율적인 솔루션인 것 같습니다."라고 말했습니다. “사용 가능한 가스가 많습니다.”
지난 1월 블레차(Blecha)와 그녀의 동료들은 시스템의 세 번째 블랙홀이 해결책을 제공할 수 있다는 아이디어를 조사했습니다. 두 개의 블랙홀이 멈춘 경우에는 다른 은하가 처음 두 개와 합쳐지기 시작하여 추가 블랙홀이 생길 수 있습니다. Blecha는 “강력한 삼체 상호작용이 가능합니다.”라고 말했습니다. "에너지를 빼앗아 합병 기간을 크게 줄일 수 있습니다." 일부 시나리오에서는 세 개의 구멍 중 가장 가벼운 구멍이 배출되지만 다른 경우에는 세 개의 구멍이 모두 병합됩니다.
수평선에서의 테스트
이제 과제는 어떤 솔루션이 올바른지, 또는 여러 프로세스가 진행 중인지 알아내는 것입니다.
Alonso-Álvarez는 다가오는 펄서 타이밍 배열 데이터에서 자체 상호 작용 암흑 물질의 신호를 찾아 자신의 아이디어를 테스트하기를 희망합니다. 블랙홀이 최종 파섹보다 가까워지면 주로 중력파를 방출하여 각운동량을 방출합니다. 그러나 자체 상호작용하는 암흑 물질이 작용한다면 파섹 한계 근처의 거리에서 에너지의 일부가 소진되는 것을 볼 수 있습니다. Alonso-Álvarez는 이것이 결과적으로 덜 강력한 중력파를 만들 것이라고 말했습니다.
자기 상호작용 암흑 물질의 지지자이자 리버사이드에 있는 캘리포니아 대학의 입자 물리학자인 유 하이보(Hai-Bo Yu)는 이 아이디어가 타당하다고 말했습니다. “중력파 물리학에서 암흑 물질의 미세한 특징을 찾는 방법입니다.”라고 그는 말했습니다. “정말 매력적인 것 같아요.”
2035년 발사 예정인 중력파 관측소인 유럽 우주국의 LISA(레이저 간섭계 우주 안테나) 우주선은 우리에게 더 많은 답을 줄 수 있습니다. LISA는 마지막 날에 초거대 블랙홀이 합쳐지면서 방출되는 강력한 중력파를 포착할 것입니다. Pacucci는 “LISA를 통해 우리는 초대질량 블랙홀이 합쳐지는 것을 실제로 보게 될 것입니다.”라고 말했습니다. 해당 신호의 특성은 "느린 프로세스를 보여주는 특정 특성"을 밝혀 최종 파섹 문제를 해결할 수 있습니다.
