충돌하는 한 쌍의 블랙홀의 나선형 춤은 수십억 년 동안 지속되어야 합니다. 그러나 우리는 2016년 이후 약 10번의 블랙홀 충돌을 포착했습니다. 이는 우리가 예상했던 것보다 훨씬 많은 수치입니다. 충돌 과정을 가속화하고 블랙홀이 예상보다 더 빨리 결합되도록 하려면 일부 과정이 작동 중이어야 합니다.
문제는 애초에 블랙홀이 형성되기 전부터 시작됩니다. 블랙홀은 본질적으로 거대한 별의 죽은 유물입니다. 이 조상별은 나이가 들면서 원래 크기의 몇 배에 달하는 초거성으로 팽창하는 단계를 거칩니다. 이 시점에서 두 별이 서로 가깝게 공전하는 경우 하나는 다른 별에 흡수되고 쌍은 블랙홀이 되기 전에 충돌하게 됩니다.
이는 한 쌍의 대형 블랙홀이 극도로 멀리 떨어져 존재하기 시작해야 함을 의미합니다. 너무 멀리 떨어져 있어서 충돌이 극히 드물다는 것을 의미합니다. 그러나 그러한 충돌은 상당히 흔합니다. “우리 이론가들은 새로운 수수께끼가 있으면 정말 좋아합니다.” 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 이론 천체물리학자 스마다르 나오즈(Smadar Naoz)가 말했습니다. “모두가 새로운 아이디어로 뛰어오르고 있습니다.”
그렇다면 결코 촘촘하게 엮여 있지 않은 초거성 쌍성이 아닌 촘촘하게 엮인 블랙홀 쌍을 어떻게 얻을 수 있을까요? 한 가지 잠재적인 설명은 두 개의 거대한 별이 멀리 떨어져 시작하여 블랙홀로 붕괴되면서 더 가까워질 수 있다는 것입니다. 아니면 일부 별은 초거성으로 부풀어 오르지 않고 붕괴하거나, 고립된 블랙홀이 서로 만나 쌍을 형성할 수도 있습니다.
지난 몇 년 동안 또 다른 아이디어가 나타났습니다. 올바른 조건에서 세 번째 개체는 한 쌍의 개체를 더 가깝게 만드는 프로세스를 촉발할 수 있습니다. 이 삼체 효과는 멀리 떨어져 있는 거대한 별들이 먼저 블랙홀로 붕괴한 다음 충돌할 만큼 가까이 다가가는 방법을 제공합니다. 그리고 거대한 별은 종종 삼중계에 있기 때문에 연구자들은 이 삼체 효과를 고려하는 것이 중요하다고 말합니다.
이 과정이 어떻게 진행되는지 이해하려면 지구와 달이 서로 회전한다고 상상해 보세요. 이 둘은 방해가 되지 않는 한 공통 질량 중심을 중심으로 거의 무한정 안정된 궤도를 따라갑니다.
태양계의 대부분의 물체가 그렇듯이 세 개의 물체가 동일한 평면에서 회전하는 한 세 번째 물체가 반드시 지구-달 시스템의 안정성에 영향을 미치지는 않습니다.
그러나 우주의 물체는 일반적으로 하나의 평평한 표면으로 제한되지 않습니다. 궤도가 정렬되지 않도록 지구-달 시스템 주위를 비스듬히 회전하는 세 번째 물체를 상상해보십시오. 궤도 사이의 각도가 충분히 크면 세 번째 물체의 중력 효과가 지구와 달의 궤도를 방해할 수 있습니다. 경로는 긴 타원으로 확장되어 개체를 훨씬 더 가깝게 움직이기 전에 훨씬 더 멀리 떨어뜨립니다. 그들이 가장 가까워지면 다른 효과가 시작되어 궤도를 더욱 축소할 수 있습니다. 결국 지구와 달은 서로 충돌할 수 있으며, 두 사람 모두에게 대재앙을 초래할 수 있습니다.
루시 리딩-Ikkanda/Quanta Magazine
블랙홀의 세계에서 이 삼체 과정, 즉 "채널"은 몇 가지 다른 형태로 나타납니다. 세 번째 물체는 항성 질량 블랙홀이거나 아직 하나로 붕괴되지 않은 거대한 별일 수 있습니다. 이는 대부분의 은하 중심에서 발견되는 초대질량 블랙홀 중 하나일 수도 있습니다. 이 경우 은하 중심에 있는 두 개의 거대한 별이 붕괴되어 블랙홀이 됩니다. 이 작은 블랙홀 쌍과 초대질량 블랙홀은 3체 시스템을 구성합니다. 초거대 블랙홀은 심지어 더 작은 블랙홀 쌍이 합쳐질 가능성을 더 높이는 일반 상대성 이론의 특수 효과를 유발할 수도 있다고 연구자들이 6월 과학 사전 인쇄 사이트 arxiv.org에 게시한 논문에서 보고했습니다.
"이 채널의 장점은 블랙홀이 합쳐지는 방식에 불확실성이 거의 없다는 것입니다."라고 이 아이디어에 대한 여러 논문을 발표한 서리 대학의 천체 물리학자인 파비오 안토니니(Fabio Antonini)는 말했습니다. "그냥 중력이고 역학일 뿐이에요."
그러나 블랙홀 합병을 위해 제안된 다른 형성 경로와 마찬가지로 삼중 과정에는 연구자들이 여전히 알아내야 할 부분이 있습니다. 예를 들어, 삼중성계의 궤도가 효과를 유발할 만큼 얼마나 자주 각도를 이루는지는 확실하지 않습니다.
이 아이디어의 주요 장점 중 하나는 테스트가 가능하다는 것입니다. 삼중 과정을 통해 합쳐지는 블랙홀은 방해받지 않는 쌍성계에서 합쳐지는 블랙홀보다 덜 원형이거나 더 편심한 궤도를 가져야 합니다. 과학자들은 가까운 미래에 블랙홀 궤도의 이심률을 측정할 수 있을 것이라고 시카고 대학의 천체물리학자이자 블랙홀 충돌에서 발생하는 중력파를 검색하는 LIGO 협력의 회원인 다니엘 홀츠가 말했습니다.
삼중 시스템 프로세스를 연구하지 않는 Holz는 "이를 흥미롭게 만드는 것 중 하나는 예를 들어 높은 이심률을 갖는 시스템으로 끝날 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다. "그리고 그것이 측정할 수 있는 것이라면 그것은 뭔가 멋진 일이 벌어지고 있는 일종의 연기가 될 것입니다."
블랙홀의 회전은 과학자들에게 블랙홀 합병이 삼중 시스템 프로세스로 인해 발생했는지 여부를 알려줄 수도 있습니다. 블랙홀 쌍성계가 다른 천체의 영향 없이 두 별의 진화를 통해 형성된다면, 두 개의 아이스 스케이터가 서로 시계 방향으로 스케이트를 타면서 시계 방향으로 회전하는 것처럼 두 별은 어느 정도 같은 방향으로 회전하고 공전해야 합니다. 그러나 코넬 대학교의 동 라이(Dong Lai)와 빈 리우(Bin Liu) 같은 천체 물리학자들의 연구에 따르면, 삼중계의 제3 천체와 같은 다른 물체의 간섭은 블랙홀 궤도를 기울여 궤도 축과 회전 축이 서로 각도를 이룰 수 있다고 합니다. 현재 기술로는 그 효과를 직접 측정하기가 어렵지만 연구자들은 이러한 회전 정렬을 추론할 수 있는 영리하고 새로운 방법을 찾기를 희망하고 있습니다.
따라서 블랙홀이 어떻게 병합될 만큼 가까워지는지 정확히 말하기에는 아직 이르지만, 연구자들은 중력파 감지가 왜 그렇게 중요한지에 대한 예로서 이 문제를 제기하고 있습니다. 호주 모나쉬 대학의 천체물리학자 일리아 만델(Ilya Mandel)은 “중력파 관측 그 자체만을 갖고 싶지는 않습니다.”라고 말했습니다. "다른 방법으로는 이해하기 어렵고 직접 측정하기 어려운 것들을 연구하기 위한 프로브로 사용하고 싶습니다."
