블랙홀 물리학자들은 LIGO와 Virgo 중력파 검출기가 최근 물리적으로 불가능하다고 생각되었던 질량을 지닌 예상치 못하게 거대한 블랙홀의 신호를 포착했다는 보고에 대해 흥미진진하게 논의해 왔습니다.
“예측은 아니오입니다 이 질량 범위의 블랙홀은 몇 개도 되지 않습니다.”라고 캘리포니아 대학 산타크루즈 캠퍼스의 천체 물리학자인 스탠 우슬리(Stan Woosley)는 이메일에서 이렇게 썼습니다. "하지만 물론 우리는 자연이 종종 길을 찾는다는 것을 알고 있습니다."
Quanta가 연락한 전문가 7명 그들은 4월 이후 LIGO와 Virgo가 감지한 22개의 중력파 중 하나는 예상치 못한 무게의 블랙홀과 관련된 충돌에서 나왔다고 들었습니다. 이는 태양 100개만큼 무겁다고 합니다. LIGO/Virgo 팀원들은 이러한 소문이 감지되었다는 사실을 확인도 부정도 하지 않았습니다.
[업데이트:2020년 9월 2일, 연구자들은 충돌하는 블랙홀의 질량이 우리 태양의 65배와 85배에 달한다는 사실을 확인했습니다. 그 결과 블랙홀은 태양보다 150배나 더 거대했습니다. ]
바르샤바 대학의 천체 물리학자인 크리스 벨진스키(Chris Belczynski)는 이전에 그렇게 큰 표본이 보이지 않을 것이라고 확신했기 때문에 2017년에 동료들과 내기를 걸었습니다. Belczynski는 "내 생각엔 우리가 내기에서 지게 될 것 같아요. 그리고 과학의 이익을 위해서도요!"라고 말했습니다.
벨진스키가 예전에 자신감을 가졌던 것은 이렇게 큰 블랙홀이 일반적인 방식으로는 형성될 수 없다는 사실에서 비롯되었습니다.
중력이 모든 것을, 심지어 빛까지 가두는 조밀하고 역설이 가득한 구체인 블랙홀은 연료를 소모한 별의 수축하는 핵에서 형성됩니다. 그러나 1967년에 예루살렘 히브리 대학의 세 명의 물리학자들은 죽어가는 별의 핵이 매우 무거워도 중력에 의해 블랙홀로 붕괴되지는 않는다는 것을 깨달았습니다. 대신, 별은 아무것도 남기지 않고 몇 초 만에 완전히 소멸되는 폭발인 "쌍 불안정 초신성"을 겪게 될 것입니다. 세 명의 물리학자는 “별은 완전히 우주로 흩어졌다”고 썼습니다.
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta 매거진; 출처:LIGO-P1800307-v7 표 III
쌍불안정 초신성은 핵이 너무 뜨거워져 빛이 자발적으로 전자-양전자 쌍으로 변환되기 시작할 때 발생합니다. 빛의 복사압은 별의 핵을 그대로 유지했습니다. 빛이 물질로 변할 때, 그에 따른 압력 강하는 코어를 빠르게 수축시키고 더욱 뜨거워지게 하여 쌍 생성을 더욱 가속화하고 폭주 효과를 유발합니다. 결국 핵은 너무 뜨거워져 산소가 발화하게 됩니다. 이는 코어의 내파를 완전히 역전시켜 대신 폭발하게 됩니다. (현재 추정에 따르면) 태양 질량의 약 65~130배에 해당하는 핵의 경우 별은 완전히 소멸됩니다. 약 50~65 태양질량 사이의 핵은 맥동하며 쌍불안정이 발생하는 범위 아래로 떨어질 때까지 일련의 폭발로 질량을 흘립니다. 따라서 질량이 태양질량 50~130 범위인 블랙홀은 없어야 합니다.
2002년에 이 "쌍-불안정성 질량 격차"에 대한 연구를 확정적으로 평가한 Woosley는 "예측은 간단한 계산에서 나온 것"이라고 말했습니다.
질량 격차 반대편에는 태양 질량의 130배가 넘는 블랙홀이 존재할 수 있습니다. 왜냐하면 그러한 무거운 항성 핵의 폭주하는 내파는 산소 융합에 의해서도 멈출 수 없기 때문입니다. 대신 그들은 계속해서 붕괴되어 블랙홀을 형성합니다. 그러나 별은 일생 동안 질량을 방출하기 때문에 태양 질량 130배의 핵이 되려면 태양 300배 이상의 무게를 지닌 별이 태어나야 하며, 그러한 거대괴수는 드물다. 이러한 이유로 대부분의 전문가들은 LIGO와 Virgo가 발견한 블랙홀이 질량 격차의 하한인 약 50 태양질량에 도달해야 한다고 가정했습니다. (은하의 중심을 고정하는 태양 질량 백만 및 수십억 개의 초대질량 블랙홀은 초기 우주에서 다르게, 오히려 신비롭게 형성되었습니다. LIGO와 Virgo는 초대질량 블랙홀의 충돌을 기계적으로 감지할 수 없습니다.)
그렇긴 하지만, 몇몇 전문가들은 질량 격차에 블랙홀이 나타날 것이라고 대담하게 예측했으며, 따라서 2017년 내기가 이루어졌습니다.
그해 2월 아스펜 물리학 센터에서 열린 회의에서 시카고 대학의 벨진스키와 다니엘 홀츠는 "쌍 불안정성 때문에 태양 질량 55~130 질량 범위에 블랙홀이 존재해서는 안 된다"며 따라서 LIGO/Virgo의 첫 100개 신호에서는 아무것도 감지되지 않을 것이라고 내기했습니다. Woosley는 나중에 Belczynski 및 Holz와 공동 계약을 맺었습니다.
그러나 MIT의 칼 로드리게즈(Carl Rodriguez)와 인도 뭄바이에 있는 타타 기초 연구 연구소의 수라브 채터지(Sourav Chatterjee)는 나중에 노스웨스턴 대학교의 프레드 라시오(Fred Rasio)와 합류하여 그들에게 내기를 걸었습니다. 이러한 플러스 사이즈 블랙홀이 형성되는 우회 방법이 있기 때문에 실제로 질량 격차에서 블랙홀이 발견될 것이라고 내기했습니다.
LIGO와 Virgo의 장치를 흔드는 대부분의 충돌 블랙홀은 아마도 고립된 별 쌍(우주에서 흔히 볼 수 있는 쌍성계)에서 유래했을 것입니다. 그러나 Rodriguez와 그의 공동 서명자들은 감지된 충돌의 일부가 구상 성단과 같은 조밀한 항성 환경에서 발생한다고 주장합니다. 블랙홀은 서로의 중력에 따라 회전하며 때로는 연못의 큰 물고기가 작은 것을 삼키는 것처럼 서로를 붙잡고 합쳐집니다.
예를 들어, 구상성단 내부에서는 태양질량 50배 블랙홀이 태양질량 30배 블랙홀과 합쳐질 수 있고, 그 결과 생성된 거인은 다시 합쳐질 수 있습니다. 이 2세대 합병은 LIGO/Virgo가 감지했을 수도 있는 것입니다. 즉, 연못에서 큰 물고기를 잡는 행운입니다. Rodriguez는 "이것은 실제로 클러스터에서만 발생할 수 있습니다."라고 말했습니다. 소문이 사실이라면 그와 Chatterjee, Rasio는 Belczynski, Holz 및 Woosley로부터 각각 100달러 상당의 와인을 받게 됩니다.
그러나 추정되는 대형 블랙홀에 대한 다른 가능한 기원 이야기가 있습니다. 아마도 그것은 고립된 쌍성계에서 시작되었을 것입니다. 첫 번째 별이 블랙홀로 붕괴한 후 동반성에서 물질을 벗겨내면서 성장했을 수도 있습니다. 나중에 두 번째 별도 붕괴되고 결국 두 별은 충돌하고 합쳐져서 중력파를 시공간 구조를 통해 계단식으로 보내게 됩니다.
LIGO/Virgo 팀은 모든 잠재적인 중력파 현상과 그것이 시작된 하늘의 영역을 신속하게 발표하여 다른 망원경이 해당 방향으로 회전할 수 있도록 합니다. 그러나 입을 다물고 있는 팀은 충돌 물체의 추정된 크기와 같이 4월에 시작된 현재 관측 작업의 이벤트에 대한 자세한 정보를 아직 공개하지 않았습니다. 팀은 늦어도 2020년 봄까지 모든 것을 공개할 계획이다. 결과에 초대형 블랙홀이 포함된 경우 분석을 통해 구멍과 동반 블랙홀이 충돌했을 때 얼마나 빨리 회전했는지도 밝혀야 합니다. 이 정보는 원작 이야기 중 하나를 선호하거나 둘 다 선호하지 않는 데 도움이 됩니다.
쌍성 블랙홀 형성과 질량 격차를 연구해온 로스앨러모스 국립 연구소의 천체물리학자 크리스 프라이어(Chris Fryer)는 소문이 “우리를 대체 형성 메커니즘으로 몰아가고 있다”고 말했습니다. "어쨌든 그것은 흥미로운 사건이 될 것입니다. 그게 사실이라면 말이죠."
Woosley의 경우, 가능한 예외에도 불구하고 그는 여전히 질량 격차가 존재한다고 생각합니다. 그는 "수백 개의 블랙홀이 있을 때 실제로 약 50에 절벽이 보일 것"이라고 말했다. "그러나 자연은 진공을 싫어하기 때문에 그 격차에 몇 가지 사건이 있을 것입니다."
이 기사는 TheAtlantic.com에 재인쇄되었습니다.
