중력파 연구, 스티븐 호킹의 블랙홀 성장 이론 검증

2015년 9월 14일, 물리학자들은 두 개의 블랙홀이 충돌할 때 발생하는 중력파를 감지하는 목표를 이루었다.
이는 곧 이 노력의 핵심 인물 세 명에게 노벨 물리학상을 안겨주었다.
이후 10년 동안, 과학자들은 수백 개의 블랙홀 합병과 중성자 별 충돌 같은 극한의 우주 현상을 감지해냈다.
현재 ‘Physical Review Letters’ 저널에 실린 연구에 따르면, 과학자들은 중력파 분석 능력이 지난 10년 동안 크게 향상되었음을 밝혀냈고, 이는 스티븐 호킹이 1971년에 제시한 블랙홀 성장에 관한 핵심 아이디어를 최근에 검증한 결과다.

컬럼비아 대학교와 플랫아이언 연구소의 천체 물리학자 막시밀리아노 이시는 ‘스티븐 호킹이 작업한 아주 유명한 명제 중 하나는 블랙홀의 표면적은 결코 줄어들 수 없다는 것’이라고 설명한다.
그는 올해 초 감지된 중력파를 분석한 결과 이는 정확히 관찰되었다고 덧붙였다.
올해 1월 14일, 탐지기들은 약 13억 광년 떨어진 두 개의 블랙홀의 충돌로부터 온 중력파를 기록했다.
이 블랙홀들은 각각 태양 질량의 30배에서 40배에 해당하는 질량을 가지고 있어, 2015년 최초의 중력파 감지와 유사한 충돌 사건이었다.
하지만 그 이후로 루이지애나와 워싱턴 주에 있는 두 개의 LIGO 탐지기는 계속해서 업그레이드되었다.

‘오늘날 탐지기가 훨씬 더 좋아졌기 때문에 신호를 훨씬 더 명확하게 기록할 수 있다’고 캘리포니아 공과대학교의 중력파 물리학자 카테리나 차치오안노가 밝혔다.
이 덕분에 초기 블랙홀 두 개의 표면적이 약 24만 평방킬로미터(오리건 주 크기)였고, 이들이 합쳐져 단일 블랙홀이 되었을 때 그 표면적은 약 40만 평방킬로미터(캘리포니아 주 크기)에 달했음을 보여주는 새로운 분석을 수행할 수 있었다.
호킹의 이론에 의하면 최종 블랙홀의 표면적은 두 초기 블랙홀 표면적의 합보다 커야 하며, 이는 그 신호를 통해 관측적으로 증명되었다고 차치오안노는 설명했다.

이러한 증거는 호킹이 10년 전 최초의 중력파 탐지가 발표되었을 때 기대했던 것이다.
그는 그 노력에 참여한 과학자 중 한 명에게 연락을 취하여 중력파가 이 예측을 테스트할 수 있는지 여쭈었다고 이시는 설명했다.
그러나 당시에는 데이터에 잡음이 많고 분석 기술이 충분히 발전되지 않았기 때문에 가능하지 않았다.
호킹은 2018년에 세상을 떠났다.
‘호킹이 더 이상 우리 곁에 없어 아쉽지만, 그의 유산은 이렇게 계속 살아 있습니다’라고 이시는 말했다.

’70년대 사람들이 생각했던 모든 아이디어들이 이제 실제 데이터로 나타나고 있습니다.
우리는 이러한 일이 정확히 예측된 대로 발생하는 것을 보고 있습니다.’라고 이시는 덧붙였다.
알버트 아인슈타인은 1916년에 중력파의 존재를 예측했지만, 그들의 발견은 불가능하다고 생각했다.
‘우리가 그에게 블랙홀 충돌로부터 오는 중력파를 이틀에 한 번씩 감지하고 있다고 말했다면, 아인슈타인에게는 정말 놀라운 일이었을 것입니다.’라고 이시는 말했다.

전반적으로 연구자들은 현재까지 발견된 블랙홀 합병의 양에 놀라움을 감추지 못하고 있으며, 루이지애나 주립대학교의 중력파 연구원 가브리엘라 곤잘레스는 ‘우리의 발견이 너무 많아서 때때로 이를 ‘중력파 천문학’보다 ‘블랙홀 천문학’이라고 부르고 싶다고 느낄 때가 있다’고 전했다.
그녀는 더 많은 중성자 별 합병 사건이 관측될 줄 알았지만, 지금까지는 불과 몇 개의 사례만 있었다고 말했다.
이러한 상황은 바뀔 수 있으며, 연구자들은 10배 더 민감한 새로운 중력파 탐지기 계획을 세우고 있다.
‘그것이 우리의 꿈입니다’라고 그녀는 덧붙이며, 10년 후 이 탐지기가 건설 중일 수도 있고, 어쩌면 완공될 수 있을 것이라고 강조했다.

이미지 출처：npr