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과학자들이 블랙홀이 충돌하는 전 과정을 추적해 알베르트 아인슈타인과 스티븐 호킹이 예측한 이론을 입증하는 데 성공했다. 블랙홀·중성자별 등 우주의 거대한 천체가 충돌할 때 시공간이 휘어지며 생기는 파동인 중력파의 존재를 단순히 검출하는 데 그치지 않고 블랙홀 충돌 후 안정된 상태에 이르기까지 모든 과정을 분석한 성과다. 이론으로만 존재했던 예측을 실제 관측 데이터로 검증한 이번 연구성과는 우주의 생성 원리와 법칙을 밝히는 데 기여할 것으로 기대된다 국고채금리 .

윌 파르 미국 플랫아이언연구소 계산천체물리학센터 중력파 천문학 그룹장 연구팀은 ‘블랙홀이 질량과 스핀으로만 규정된다’는 아인슈타인의 이론과 ‘블랙홀 2개가 합쳐질 때 사건지평선의 면적은 줄지 않는다’는 호킹의 ‘면적 정리’를 입증하고 연구결과를 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Lette 서면 회사원 rs)’에 10일(현지 시간) 발표했다.
이번 연구는 올 1월 미국 ‘고급레이저간섭계 중력파관측소(LIGO·라이고)’가 포착한 블랙홀 병합 신호를 정밀 분석한 결과다. 연구팀은 2개의 블랙홀이 충돌해 하나로 합쳐지는 순간부터 최종적으로 안정된 상태에 이르기까지 전 과정을 추적하는 데 성공했다. 특히 블랙홀 병합 후 안정될 때 생기는 파동 분할상환대출 패턴을 뜻하는 ‘링다운(ringdown)’ 신호를 분리하고 별도로 분석했다.
관측 결과, 두 블랙홀의 병합으로 태양 질량의 63배에 달하는 블랙홀이 만들어졌다. 병합 후 안정화되는 과정에서 관측한 링다운 파동의 주파수와 사라지는 속도를 분석한 결과 블랙홀의 질량과 스핀으로 예측된 값과 정확히 맞아떨어졌다. 아인슈타인의 일반상대성이론을 토대 장애인가구 로 회전하는 블랙홀을 발견한 뉴질랜드 수학자 로이 커가 정립한 ‘무모 정리(no-hair theorem)’가 관측을 통해 검증된 것이다.
무모 정리란 블랙홀이 ‘복잡한 특징(털)’은 다 잃고 질량, 스핀, 전하 등 세 가지만으로 설명되며 그밖에 블랙홀을 구분하는 특성은 없다는 이론이다. 실제 블랙홀은 전하를 거의 갖지 않기 때문에 사실상 신용등급 질량과 스핀의 두 가지 특성만으로 설명된다. 이번 연구로 무모 정리가 실제 관측 데이터로 입증됐다.
‘블랙홀 2개가 합쳐질 때 사건지평선의 면적은 줄지 않는다’는 호킹의 ‘면적 정리(area theorem)’ 이론도 확인됐다. 사건지평선은 블랙홀을 둘러싼 경계로 사건지평선 안쪽에서는 빛조차 빠져나올 수 없다. 이번 연구에서 관측된 병합 전후 블랙홀의 크기를 비교한 결과 면적이 줄지 않고 증가했다.
이번 연구 성과는 중력파 연구 장비의 성능 향상 덕분에 가능했다. 라이고는 2015년 세계 최초로 블랙홀 병합 중력파를 탐지했으나 당시에는 최종 링다운 신호가 너무 희미해 뚜렷한 결론을 내리기 어려웠다. 그러나 10년 사이 장비와 분석 기술이 비약적으로 발전하면서 과학자들은 수 밀리초 단위의 섬세한 파동까지 식별할 수 있게 됐다.
연구에 참여한 막시밀리아노 이시 미국 컬럼비아대 교수는 “이번 관측은 지금까지 블랙홀의 본질에 대해 얻은 가장 명확한 증거”라고 말했다. 파르 그룹장은 “블랙홀이 내는 링다운을 식별할 수 있다는 것은 극한 시공간의 성질을 이해할 수 있는 최선의 방법을 갖게 된다는 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 오랜 기간 베일에 싸여 있던 우주의 생성 원리와 천체의 진화, 블랙홀 등에 대한 연구가 실제 관측 데이터를 통해 검증하는 단계에 돌입했다는 사실을 보여준다. 아인슈타인과 호킹이 제시한 블랙홀 관련 이론과 법칙들이 한 세기 만에 실험적 증거로 입증되면서 인류는 우주와 시공간의 본질에 한 걸음 더 다가서게 됐다는 평가가 나온다.
정지영 동아사이언스 기자 jjy2011@donga.com