🌌 태양 142개 블랙홀, 우주가 숨겨온 '빠진 고리' 중간질량 블랙홀 GW190521 발견

📑 목차

• 🕳️ 블랙홀 다큐를 보다가 든 이상한 의문
• 📡 0.1초짜리 신호, 검출 알고리즘도 헷갈렸다
• ⚖️ 85와 142, 이론이 "만들 수 없다"고 한 질량
• ❓ HLX-1은 왜 "후보"에 머물렀나
• 🌌 70억 광년 저편에서 온 소식

🕳️ 블랙홀 다큐를 보다가 든 이상한 의문

몇 년 전 밤에 우주 다큐멘터리를 몰아보다가 뭔가 이상하다는 느낌을 받은 적이 있다. 블랙홀 얘기가 나올 때마다 등장하는 크기는 딱 두 종류였다. 하나는 태양 몇 배에서 수십 배쯤 되는, 별이 죽으면서 만들어지는 "항성질량 블랙홀". 다른 하나는 은하 한가운데 웅크린 태양 수백만~수십억 배짜리 "초거대질량 블랙홀". 궁금한 건 그 사이였다. 초등학생 몸무게와 대왕고래 몸무게 사이에 아무 동물도 없다고 하면 누가 봐도 이상하지 않은가. 나중에 알고 보니 천문학자들도 똑같은 의문을 품고 있었고, 그 빈틈을 "중간질량 블랙홀(intermediate-mass black hole)"이라 부르며 몇십 년째 찾고 있었다. 2019년 5월 21일, 그 빈틈에 처음으로 확실한 발자국이 찍혔다.

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📡 0.1초짜리 신호, 검출 알고리즘도 헷갈렸다

이 신호는 LIGO 핸퍼드, LIGO 리빙스턴, 그리고 이탈리아의 Virgo까지 세 검출기에 동시에 걸렸다. 이름도 검출된 날짜 그대로 중간질량 블랙홀 GW190521이다. 재밌는 건 신호 자체의 생김새다. 보통 블랙홀 병합 신호는 낮은 진동수에서 시작해 점점 빨라지고 커지는 "치릅(chirp)" 모양으로 몇 초에서 몇십 초씩 이어지는데, 이번 건 딱 0.1초, 눈에 보이는 진동 사이클이 네 번 정도밖에 안 됐다. 그래서 표준 이진 블랙홀 매칭 필터링(matched filtering, 미리 계산해둔 수많은 파형 템플릿과 실제 신호를 대조하는 방식) 파이프라인만으론 애매했고, 노이즈 글리치와 진짜 우주 신호를 구분하기 위해 특정 파형 템플릿에 의존하지 않는 범용 순간파 탐색 기법인 코히어런트 웨이브버스트(cWB) 같은 알고리즘까지 같이 돌려서 교차 확인했다. 짧다는 이유로 하마터면 노이즈로 분류될 뻔한 신호였던 셈이다.

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⚖️ 85와 142, 이론이 "만들 수 없다"고 한 질량

분석 결과가 흥미로웠다. 충돌 전 두 블랙홀은 각각 태양 질량의 약 85배와 66배, 합쳐진 최종 블랙홀은 약 142배였고 그 차이인 약 8개 태양질량어치 에너지가 중력파로 방출됐다. 이 수치는 LIGO/Virgo 협력단이 2020년 9월 Physical Review Letters에 낸 논문 "GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙"(arXiv:2009.01075)과, 같은 시기 Astrophysical Journal Letters에 실린 후속 분석 논문(arXiv:2009.01190)에 정리돼 있다. 여기서 85 태양질량짜리 블랙홀이 핵심이다. 항성 진화 이론에 따르면 65~120 태양질량 사이 블랙홀은 별의 죽음만으로는 못 만들어진다. 이 질량대의 별은 핵융합 도중 쌍불안정성 초신성(pair-instability supernova)이라는 폭발로 별 전체가 산산조각 나서 블랙홀을 거의 남기지 않기 때문이다. 그래서 이 구간을 "질량 갭"이라 부르는데, 85 태양질량 블랙홀은 정확히 이 금지구역 한복판에 있다. 결론은 하나로 좁혀진다. 이 블랙홀은 별 하나가 곧장 무너져 만들어진 게 아니라 성단이나 은하 중심 원반처럼 밀도 높은 환경에서 이미 한 번 이상 다른 블랙홀들과 합쳐진 결과, 즉 계층적 병합(hierarchical merger)의 산물이라는 것이다.

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❓ HLX-1은 왜 "후보"에 머물렀나

여기서 궁금해지는 지점이 있다. 중간질량 블랙홀 후보는 사실 예전부터 있었다. 대표적으로 2009년 발견된 왜소은하 ESO 243-49의 초광도 X선원 HLX-1은 방출되는 X선 밝기로 역산하면 태양 질량 1만~2만 배짜리 블랙홀이 있어야 설명이 된다는 논리였다. 오메가 센타우리 같은 구상성단 중심부 별들의 움직임을 분석해 내놓은 추정치들도 마찬가지다. 문제는 둘 다 간접 추정이라는 점이다. HLX-1은 강착원반이 표준적인 물리 법칙대로 빛난다고 가정해야 성립하고, 실제로는 훨씬 가벼운 별 크기 블랙홀이 특이한 방식으로 빛을 뿜는 초광도 X선원일 가능성도 배제되지 않았다. 성단 쪽도 별 하나의 무거운 블랙홀 대신 촘촘히 뭉친 여러 개의 별 잔해 무리로 설명할 수 있다는 반박이 계속 나왔다. 반면 GW190521은 병합 직후 최종 블랙홀이 종처럼 울리며 잦아드는 링다운(ringdown) 신호 자체에서 질량과 스핀을 직접 읽어낸다. 강착원반의 밝기 모델이나 별들의 궤도 가정을 거칠 필요가 없는, 시공간의 떨림 그 자체로 잰 몸무게다. 그래서 이번 사례가 "후보 추가"가 아니라 "최초 확인"으로 불리는 것이다.

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🌌 70억 광년 저편에서 온 소식

거리도 짚어두고 싶다. 논문에 나온 광도거리는 약 53억 파섹, 적색편이로는 z≈0.72다. 빛이 실제로 이동해온 거리로 환산하면 대략 70억 광년쯤 되는데, 이건 우주 나이 138억 년의 절반에 해당하는 아득한 과거에 이미 일어난 사건이라는 뜻이다. 그 신호가 지금 지구에 도착해 검출기 거울을 원자핵 지름의 1만분의 1만큼 흔들었다는 사실을 생각하면, 새삼 우주의 스케일 앞에서 말문이 막힌다. 별과 은하 사이 빈 고리라고 여겼던 자리에, 알고 보니 아주 오래전부터 뭔가가 조용히 자라고 있었던 셈이다.