스페인 산티아고 데 콤포스텔라 대학교 고에너지 물리학 연구소(IGFAE)가 이끄는 국제 팀이 처음으로 블랙홀 합병 후 블랙홀의 "반동" 속도와 방향을 공동으로 측정했습니다. 이 결과는 Nature Astronomy에 게재되었습니다. 연구에 따르면 중력파는 에너지뿐만 아니라 운동량도 전달하여 블랙홀이 합쳐진 후 마지막 블랙홀에 "킥오프" 반동을 주어 상당한 속도로 우주를 이동할 수 있게 해줍니다.
중력파는 아인슈타인이 1916년 일반 상대성 이론에서 예측한 시공간 파동입니다. 블랙홀 등 극도로 밀도가 높고 질량이 큰 천체가 격렬하게 충돌할 때, 그러한 요동은 휘저어 우주의 모든 방향으로 퍼질 것이다. 중력파는 시스템의 에너지와 운동량을 전달하기 때문에 파동 복사가 공간 분포에서 완전히 대칭이 아닐 경우 생성된 블랙홀은 "불균형" 추력으로 인해 반동하게 되며, 이는 "블랙홀이 찼다"라고도 생생하게 나타납니다. 반동의 강도는 두 초기 블랙홀의 질량 및 회전과 밀접한 관련이 있는 반면, 반동의 방향은 우주 전체 시스템의 기하학적 구성에 따라 달라집니다.
과거에 과학자들은 주로 중력파 신호로부터 궤도 경사와 같은 몇 가지 기하학적 매개변수를 측정할 수 있었습니다. 또 다른 주요 각도인 방위각은 정확하게 얻기가 어려웠습니다. 연구팀은 중력파의 '고차 모드'에 이전에는 읽기 어려웠던 기하학적 정보가 포함되어 있다는 사실을 발견했습니다. 이를 통해 누락된 각도를 복원하고 반동의 3차원 방향을 계산할 수 있습니다.
연구진은 방법 검증을 위해 2019년 어드밴스드 라이고(Advanced LIGO)와 버고(Virgo) 천문대에서 공동으로 탐지한 중력파 현상 GW190412를 샘플로 사용했다. 이 경우 두 블랙홀의 질량은 명백히 동일하지 않으므로 신호에서 명확하게 식별할 수 있는 고차 모드 특징을 보여 정밀 분석에 매우 적합합니다. 연구팀은 아인슈타인의 방정식을 기반으로 한 정확한 수치 시뮬레이션을 통해 병합된 블랙홀의 반동 속도가 초당 50km를 초과한다는 것을 계산했는데, 이는 밀도가 높은 성단(예: 구형 성단)에서 탈출할 수 있을 만큼 빠른 속도입니다. 통계 분석에 의해 제공된 베이즈 요인은 약 21로, 약 95%의 신뢰 수준에 해당하며 이는 이러한 결론을 강력하게 뒷받침합니다.
연구팀은 속도를 판단하면서 반동 방향도 시스템 궤도축, 지구 관측 방향 등 기준 방향과 비교했다. 결과는 "킥"이 궤도 평면을 따르지도 않고 지구를 직접 향하지도 않았으며 둘 사이의 중간 방향임을 보여주었습니다. 프로젝트 멤버 중 한 명인 Juan Calderon-Bustillo 교수는 중력파 신호가 오케스트라와 같다고 비유했습니다. 사람의 위치에 따라 들리는 '악기'가 달라지는데, 이 '음색 차이'는 과학자들이 3차원 공간에서 블랙홀의 운동 궤적을 재구성하는 데 도움이 됩니다. 펜실베이니아 주립대학의 쿠스타프 찬드라 박사는 이 방법이 공간과 시간의 '잔물결'만을 이용해 수십억 광년 떨어진 천체의 실제 움직임을 재구성하는 것과 같다고 지적했습니다.
저자는 이러한 정확한 반동 측정은 특수한 환경에서 발생하는 블랙홀 합병을 연구하는 데 특히 중요하다고 말했습니다. 예를 들어, 강착원반이 있는 활동은하핵에서 블랙홀 합병은 가시광선이나 전자기 복사와 같은 신호를 동반할 수 있습니다. 우리가 이러한 섬광을 관찰할 수 있는지 여부는 반동 방향과 지구 사이의 상대적인 기하학적 관계에 크게 좌우됩니다. 따라서 반동 방향을 아는 것은 천문학자들이 특정 중력파 사건과 전자기 폭발이 실제로 동일한 우주 사건에서 나온 것인지, 아니면 단지 시간의 우연인지를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
연구팀은 이번 연구를 통해 중력파 천문학이 점차 '청각 합병만 발생'하는 단계에서 벗어나 공간 구조와 사건의 역동적인 과정을 세심하게 지도화할 수 있는 새로운 단계로 진입하고 있음을 의미한다고 믿고 있다. 앞으로는 검출기 민감도가 증가하고 이벤트 샘플이 증가함에 따라 블랙홀의 반동 속도와 방향을 동시에 측정하는 것이 일상적인 방법이 되어 과학계가 우주에서 블랙홀이 어떻게 성장하고 이동하며 은하계와 대규모 구조의 진화를 형성하는지 더 명확하게 이해하는 데 도움이 될 것입니다.