🌌 LIGO도 LISA도 놓친 중간질량 블랙홀, 중력파 사냥꾼들이 쫓는 '잃어버린 고리'의 정체

📑 목차

• 🕳️ 블랙홀에도 '중간'이 있다는 게 낯설었다
• 📡 LIGO와 LISA 사이, 아무도 못 듣는 주파수 대역
• ⚡ GW190521, 있어서는 안 될 질량의 블랙홀
• ⭐ 오메가 센타우리에서 나온 또 다른 단서
• 🔭 진짜 사냥은 이제부터 시작

🕳️ 블랙홀에도 '중간'이 있다는 게 낯설었다

얼마 전에 중력파 뉴스를 찾아보다가 뭔가 이상한 걸 발견했어요. 우리가 아는 블랙홀은 크게 두 종류예요. 태양보다 몇 배에서 수십 배 무거운 별이 죽으면서 남기는 항성질량 블랙홀, 그리고 은하 중심에 자리 잡은 태양 수백만~수십억 배짜리 초거대질량 블랙홀. 근데 이 둘 사이, 그러니까 태양 질량 100배에서 10만 배쯤 되는 구간은 거의 텅 비어 있더라고요. 이론적으로는 당연히 있어야 하는데 관측 증거가 너무 부족한 거예요. 천문학자들은 이걸 '중간질량 블랙홀 중력파' 연구의 핵심인 중간질량 블랙홀(IMBH)이라고 부르면서 몇 년째 쫓고 있는데, 왜 이렇게 찾기가 어려운지 파다 보니 생각보다 재밌는 이야기가 많았습니다.

---

📡 LIGO와 LISA 사이, 아무도 못 듣는 주파수 대역

가장 큰 이유는 검출기마다 '귀'가 다르다는 거예요. 지상에 있는 LIGO나 Virgo는 수십~수천 헤르츠 대역의 중력파를 듣는데, 이건 항성질량 블랙홀끼리 부딪힐 때 나오는 소리예요. 반대로 아직 발사 전인 우주 검출기 LISA는 밀리헤르츠, 그러니까 훨씬 낮은 주파수를 노리도록 설계됐고 이건 초거대질량 블랙홀 병합용이에요. 문제는 중간질량 블랙홀이 내는 중력파가 딱 이 두 대역 사이, 데시헤르츠(0.1~10Hz) 근처에 걸쳐 있다는 거죠. LIGO한테는 너무 낮은 음이고 LISA한테는 너무 높은 음이라 둘 다 제대로 못 잡는 셈이에요. 이 틈새를 메우려고 나온 게 일본의 데시고(DECIGO) 구상이나, 지상에 새로 지을 아인슈타인 망원경(Einstein Telescope) 같은 차세대 시설들입니다.

---

⚡ GW190521, 있어서는 안 될 질량의 블랙홀

그래도 딱 한 번, 이 구간에 발을 걸친 사건이 있었어요. 2019년 5월 21일 LIGO와 Virgo가 잡아낸 GW190521이라는 신호인데, LIGO·Virgo 공동연구단이 2020년에 두 편의 논문으로 발표했습니다. 하나는 피지컬리뷰레터스(PRL 125, 101102)에, 다른 하나는 천체물리학저널레터스(ApJL 900, L13)에 실렸어요. 분석 결과 약 85배와 66배 태양질량인 두 블랙홀이 합쳐져서 142배짜리 블랙홀이 만들어졌다고 나왔는데, 이 142배라는 숫자 자체가 중간질량 블랙홀의 첫 직접 증거로 꼽혔습니다.

근데 진짜 흥미로운 부분은 따로 있어요. 85배짜리 원래 블랙홀이 '쌍불안정 초신성 질량 갭'이라는 구간(대략 65~135배 태양질량, 다만 이 범위는 별의 금속함량이나 회전 속도를 어떻게 가정하느냐에 따라 연구마다 50~130배로 잡기도 하는 등 모델별로 편차가 꽤 큽니다) 안에 들어가 있다는 거예요. 이론상 이 구간의 별은 초신성 폭발 없이 통째로 사라져야 해서 이 질량의 블랙홀이 존재하기가 매우 어렵습니다. 그래서 학계에서는 이게 별 하나가 직접 만든 블랙홀이 아니라 더 작은 블랙홀들이 조밀성단이나 활동은하핵 원반 속에서 여러 번 합쳐진 '위계적 병합'의 결과라는 해석이 유력하게 나왔고요. 일부 연구자들은 아예 편심 궤도를 도는 쌍성이 정면충돌한 신호라거나, 표준적인 블랙홀 병합이 아닌 다른 종류의 밀집천체일 가능성까지 제기하면서 아직 기원 논쟁이 완전히 끝나지 않았습니다.

---

⭐ 오메가 센타우리에서 나온 또 다른 단서

중력파 말고 다른 방법으로도 증거가 쌓이고 있어요. 2024년 막시밀리안 해벌레(Häberle) 연구팀이 네이처에 발표한 논문에서는, 20년치 허블우주망원경 사진 약 500장을 뒤져서 구상성단 오메가 센타우리 중심 근처에서 비정상적으로 빠르게 움직이는 별 7개를 찾아냈어요. 이 별들의 속도를 설명하려면 최소 8,200배 태양질량짜리 보이지 않는 무언가가 근처에 있어야 하는데, 다른 방식으로는 설명이 잘 안 되고 중간질량 블랙홀이 가장 유력한 후보로 지목됐습니다. 중력파 신호 없이 별의 움직임만으로 블랙홀 존재를 추정한 사례라, GW190521과는 완전히 다른 접근으로 같은 결론에 다가간 셈이라 개인적으로 꽤 인상 깊었어요.

---

🔭 진짜 사냥은 이제부터 시작

지금 상황을 정리하면, 중력파로는 GW190521 딱 한 건, 별의 운동으로는 오메가 센타우리 같은 몇 개의 간접 증거뿐이라 아직 '확실히 잡았다'고 말하기는 이릅니다. 그래서 펄사 타이밍 어레이(NANOGrav 같은 프로젝트로, 은하 곳곳의 펄사 신호를 몇 년씩 정밀하게 재서 나노헤르츠 대역 중력파를 잡아내는 방식)나 아인슈타인 망원경, 데시고처럼 지금까지와 다른 주파수·다른 방법을 쓰는 장비들이 속속 준비되고 있어요. 결국 중간질량 블랙홀 문제는 검출기 하나로 끝날 게 아니라, 여러 관측 수단을 겹쳐서 빈틈을 메워야 풀리는 퍼즐이더라고요. 다음 세대 장비들이 가동되기 시작하면 이 미싱링크가 얼마나 더 선명해질지, 앞으로 몇 년이 꽤 기대됩니다.