거대 초신성 폭발 후 블랙홀 안 생기는 ‘질량 공백’ 첫 확인 작성일 04-03 39 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">국제 연구팀 ‘쌍불안정 초신성’ 포착<br>태양 질량의 100배 넘는 무거운 별<br>폭발 너무 강해 블랙홀조차 안 남아<br>중력파 파동 분석해 60년 만에 검증</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="Ps2xEgB3W8"> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="f60edf963b00ad2f9307da3b548c87164d71fdc8dd1237d72ce2afd07964c927" dmcf-pid="QOVMDab0S4" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="별이 폭발하는 장면. 그 배경에 서로를 공전하는 쌍성 블랙홀의 모습이 희미하게 담겨 있다. 스윈번공과대 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202604/03/donga/20260403043337587prii.png" data-org-width="1600" dmcf-mid="6L0biQ1yC6" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202604/03/donga/20260403043337587prii.png" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 별이 폭발하는 장면. 그 배경에 서로를 공전하는 쌍성 블랙홀의 모습이 희미하게 담겨 있다. 스윈번공과대 제공 </figcaption> </figure> <div contents-hash="801b84451d87f017a6ead5619fddbd21250fa43598fe08bab1e5ea28d1cd2ff7" dmcf-pid="xIfRwNKplf" dmcf-ptype="general"> 태양보다 수십 배 무거운 별은 연료를 다 소진하면 중심부가 중력을 버티지 못하고 붕괴한다. 바깥층은 초신성 폭발로 흩어지고 중심부는 블랙홀보다 가벼운 천체인 중성자별이나 블랙홀로 남는다. </div> <p contents-hash="500ada82bdf2ba7985040340fe134bc932c64cf76b769e31016f60af4f7f75dc" dmcf-pid="yVCYB0mjlV" dmcf-ptype="general">태양 질량의 100∼260배에 달하는 극히 무거운 일부 별은 죽음의 방식이 다르다. 폭발이 너무 강해 별 전체가 산산이 파괴되면서 블랙홀조차 남지 않는다. 천문학자들은 이런 폭발을 ‘쌍불안정 초신성’이라 부른다. 1960년대에 처음 이론으로 제시됐지만 수십 년간 관측으로 입증되지 못했다. 국제 공동연구진이 중력파 데이터로 태양보다 44∼116배 무거운 블랙홀이 우주에서 드문 이유를 처음 확인했다.</p> <p contents-hash="0d886ad58e4e3da0a2b4a2ce226f397269e7f89a2ec89447c19734d65abc810a" dmcf-pid="WqwlpZcnW2" dmcf-ptype="general">호주 모내시대가 이끄는 국제 공동연구팀은 중력파 데이터를 분석해 블랙홀 ‘질량 공백’의 존재를 처음으로 확인하고 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처’에 1일 발표했다.</p> <p contents-hash="25440dd4873868c2e7cc8e42cfa32d4f2383a6bd1a1a67823ab43a8bf24410b2" dmcf-pid="YBrSU5kLS9" dmcf-ptype="general">별이 쌍불안정 초신성으로 폭발하면 블랙홀이 만들어지지 않는다. 천문학자들은 이 때문에 태양 질량의 약 50∼130배 되는 별이 소멸될 때 블랙홀이 형성되지 않는 빈 구간을 일컫는 이른바 질량 공백이 생긴다고 예측했다. 질량 공백은 오랫동안 이론으로만 존재했고 관측으로 확인된 적은 없었다.</p> <p contents-hash="d7f7d6fae0a27f35e64050029f50e315eb08b178b3cd8b2127bf114472aaeec1" dmcf-pid="Gbmvu1EoSK" dmcf-ptype="general">2015년 인류의 첫 중력파 검출 이후 중력파 관측이 가능해지면서 검증의 실마리가 열렸다. 중력파는 우주공간에서 질량이 큰 두 천체가 하나로 합쳐질 때 우주 공간으로 퍼져 나가는 파동이다. 블랙홀과 블랙홀의 병합이나 블랙홀과 중성자별의 충돌 등으로 생겨난다. 중력파 파동의 형태를 분석하면 중력파를 유발한 천체의 질량이나 천체가 어떤 과정을 거쳐 탄생했는지 역추적할 수 있다.</p> <p contents-hash="c81d3e7e778ff3e901440e0d46f70298320896adf3e8bf85e041f92c8fad3d16" dmcf-pid="HKsT7tDgvb" dmcf-ptype="general">2021년 브루스 에덜먼 미국 오리건대 연구원팀은 미국의 중력파 관측소 ‘라이고(LIGO)’와 유럽의 중력파 관측소 ‘비르고(Virgo)’가 두개의 블랙홀이 합쳐질 때 발생한 중력파 46건을 분석했다. 그 결과 태양 질량의 55∼120배 되는 별이 블랙홀이 된 사례는 드물다는 사실을 확인했지만 이 같은 질량 공백이 정확히 어디서 시작하고 끝나는지 밝히지 못했다. 데이터 수가 적은 데다 두 블랙홀의 질량이 공백 구간 경계 양쪽에 걸쳐 있는 사례가 포함돼 질량 공백의 존재를 통계적으로 확정하기 어려웠다. </p> <p contents-hash="9114bfaf020b32af0f9a9e8997c2cea1429a14f161706fcb27d1eacd37134d33" dmcf-pid="X9OyzFwaSB" dmcf-ptype="general">모내시대가 이끄는 공동 연구팀은 미국·유럽의 중력파 관측소 라이고·비르고와 일본의 중력파 관측소 카그라(KAGRA)가 수집한 ‘중력파 데이터 목록(GWTC-4)’을 분석했다. 앞선 연구보다 세 배 이상 많은 153건의 데이터를 토대로 서로를 공전하는 두 블랙홀 중 더 작은 쪽의 질량 분포를 집중적으로 살펴봤다.</p> <p contents-hash="d5ba1bc91c3acac94fc21f1efc70de3144e8b69db88d7a0e4b1fc3453582056e" dmcf-pid="Z2IWq3rNWq" dmcf-ptype="general">분석 결과 더 작은 쪽 블랙홀은 태양 질량의 44∼116배 구간에서 확인되지 않았다. 쌍불안정 초신성 이론이 예측한 구간과 맞아떨어지는 결과다. 질량 공백이 우연이 아닐 가능성은 통계적으로 99.9%에 달했다.</p> <p contents-hash="a00e3bb86c38c2749e49b7884d67f5385ae279e6be3f60fe2061d2daf6ca059c" dmcf-pid="5VCYB0mjlz" dmcf-ptype="general">더 큰 쪽 블랙홀은 달랐다. 질량 공백 구간 안에서도 일부 존재했다. 연구팀은 이에 대해 별에서 직접 태어난 것이 아니라 더 작은 블랙홀 두 개가 합쳐진 결과로 분석했다. 근거는 회전 속도다. 질량 공백 구간 내의 블랙홀은 유독 빠르게 회전하는 특성이 확인됐다. 이는 두 블랙홀이 하나로 합쳐질 때 공전 운동이 회전으로 바뀌기 때문이다. 별에서 직접 태어난 블랙홀에서는 나타나지 않는 특징이다.</p> <p contents-hash="e0aa7ec3ea498bda407534bd0edcd0353e017ef9a2d6eabd4a4365616166b7fa" dmcf-pid="1fhGbpsAh7" dmcf-ptype="general">쌍불안정 초신성이 일어나는 질량 공백 구간에서는 별이 폭발로 완전히 사라지기 때문에 블랙홀이 직접 만들어지지 않는다. 다만 질량 공백 구간 아래에서 태어난 더 작은 블랙홀 두 개가 서로를 공전하다가 하나로 합쳐지면 합쳐진 블랙홀의 질량이 질량 공백 구간 내에 포함될 수 있다. </p> <p contents-hash="a7cb55a573a9abb4c482243f3fce78087e7c3d35fdf46f73bf75aa8f1e85c59f" dmcf-pid="t4lHKUOcCu" dmcf-ptype="general">연구팀은 별 내부에서 일어나는 핵반응 속도도 추정했다. 별이 죽어가는 과정에서 탄소와 산소가 어떻게 반응하는지를 블랙홀 데이터로 역으로 계산했다. 지금까지 별 내부의 핵반응은 직접 관측이 불가능해 이론으로만 추정했다. 이번 연구에서 중력파 데이터로 검증할 수 있는 가능성을 열었다는 점에서 의미가 있다.</p> <p contents-hash="0ae9f082c6ef9dc20cd183e9a4804c265ca42930b703ade956d6883aa70c4249" dmcf-pid="F8SX9uIkCU" dmcf-ptype="general">프로젝트 책임자인 후이 통 모내시대 박사과정생은 “태양 질량의 44∼116배 구간 안에는 별에서 직접 만들어진 블랙홀이 없다”며 “해당 질량 범위의 블랙홀은 더 작은 블랙홀들이 합쳐져 만들어진 것”이라고 밝혔다.</p> <p contents-hash="5de6cd2d175a2a4f9e2ac8c4d3490e2b5412bc35308b22393a78e666ac0f0537" dmcf-pid="38SX9uIkTp" dmcf-ptype="general">마야 피시바크 토론토대 교수는 “쌍불안정 초신성이라는 우주 최대 폭발의 간접 증거를 포착했다”며 “블랙홀은 탄생 후 반복적으로 합쳐지며 성장할 수 있다는 점도 확인했다”고 말했다.</p> <p contents-hash="f4cf8c5cc841850184a9f36346f0cbf7c1671f794e0c15dd7b739ba4746b317a" dmcf-pid="06vZ27CES0" dmcf-ptype="general">연구팀은 한계도 인정했다. 질량 공백의 끝점인 태양 질량의 116배는 지금까지 관측된 충돌 사건 중 단 하나의 데이터에 근거하고 있어 확신하기 어렵다. 쌍불안정 초신성이 아닌 다른 원인이 비슷한 빈 구간을 만들어냈을 가능성도 남아 있다.</p> <p contents-hash="552b21b5ecbb8c72ce2e6d13c8252502ee5188912bf3133e5e31c6e7ff555180" dmcf-pid="pPT5VzhDy3" dmcf-ptype="general">조가현 동아사이언스 기자 gahyun@donga.com<br> </p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아일보. 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