과학자들이 사멸하는 거대한 별이 블랙홀 대신 일반적 물질의 암흑에너지(GEODE)로 붕괴할 가능성을 밝혔다.

미국 하와이대(University of Hawaii) 연구원들이 아인슈타인 방정식을 적용해 우주팽창을 모델링 할 때 발생하는 미묘한 오류를 식별하고 수정했다.

물리학자들은 일반적으로 우주적 거대 시스템은 그 안에 포함된 작은 시스템의 세부 사항에 둔감하다고 가정한다.

물리천문학과 박사후 연구원 케빈 크로커(Kevin Croker)와 수학과 교수 조엘 와이너(Joel Weiner)는 매우 큰 별이 붕괴되고 폭발한 후에도 남아있는 작은 물체에 대해서는 이러한 가정이 실패할 수 있음을 제시했다.

크로커는 “80년 동안 우리는 일반적으로 우주가 작은 지역의 특정 세부 사항에 영향을 받지 않는다는 가정을 해왔다”며 “일반 상대성이론이 호놀룰루 크기의 붕괴된 별들을 1000억 배 이상 큰 우주 전체와 연결시킬 수 있다는 것이 분명하다”고 말했다.

이들은 우주 팽창률이 그러한 소형 물체의 평균 기여에 민감해질 수 있음을 규명했다. 물체 자체가 우주의 성장과 연결돼 물체의 구성에 따라 에너지를 얻거나 잃을 수 있다. 이 결과는 우주물리학과 작은 물질 물리학 사이의 예기치 않은 연결을 제시, 새로운 관측 예측으로 이어지기 때문에 중요하다.

이 연구의 한 가지 결과는 우주 팽창률이 사멸하는 별에서 일어나는 일에 대한 정보를 제공한다는 것이다. 천문학자들은 일반적으로 거대한 별이 죽으면 블랙홀을 형성한다고 가정하지만 이것이 유일한 결과는 아니다.

1966년 러시아 레닌그라드에있는 IPTI(Ioffe Physico-Technical Institute)의 젊은 물리학자 에라스트 글라이너(Erast Gliner)는 중성자 별들이 ‘일반 물질의 암흑 에너지(Generic Objects of Dark Energy, GEODE)’로 붕괴 될 것이라는 가설을 제안했다. 이것들은 외부에서 볼 때 블랙홀처럼 보이지만 블랙홀과 달리 특이점 대신 다크에너지(Dark Energy)를 포함한다.

1998년 두 명의 독립적 천문학자 팀은 우주의 팽창이 가속화되고 있으며, 암흑 에너지의 균일한 기여의 존재와 일치함을 발견했다. 그러나 암흑 에너지가 이런 식으로 기여할 수 있다는 것은 인정되지 않았다.

수정된 형식(corrected formalism)으로 크로커와 와이너는 가장 오래된 별의 일부가 블랙홀 대신 GEODE로 붕괴되면 현재의 균일한 기여가 자연스럽게 필요한 단일 암흑 에너지를 생산할 것임을 보여주었다.

이 연구의 결과는 ‘LIGO-Virgo’ 협력으로 중력파를 통해 관측 가능한 충돌하는 이중 별 시스템에도 적용된다. 2016년 LIGO는 충돌하는 이중 블랙홀 시스템으로 보이는 최초의 관측을 발표했다. 그러한 시스템은 존재할 것으로 예상되었지만, 한 쌍의 물체는 예상 밖으로 컴퓨터 시뮬레이션에서 예측된 블랙홀 질량보다 약 5배 무거웠다.

크로커와 와이너는 수정된 형식을 사용해 LIGO-Virgo가 이중 블랙홀 충돌 대신 이중 GEODE 충돌을 관찰한건 아닌지 여부를 고려했습니다. 그들은 GEODE가 그러한 충돌로 이어지는 시간 동안 우주와 함께 팽창하는 것을 발견했다. 충돌이 발생하면 결과적인 GEODE 질량이 LIGO-Virgo 관측 치와 대략 일치해 4~8배 더 커진다.

이들은 이론적 결과를 GEODE 시나리오에 대한 관측 근거와 분리”블랙홀이 확실히 죽지 않았다. 우리가 본 것은 GEODE가 존재하면 관찰된 현상을 쉽게 일으킬 수 있다는 것이다. 현재로서는 설득력 있는 설명이 부족하다. 우리는 GEODE 시나리오를 제외할 수 있는 여러 가지 방법을 포함해 수많은 다른 관측 결과를 예상하고 있다. 우리는 가까스로 표면을 긁기 시작했다”고 강조했다.

논문은 천문물리저널 ‘The Astrophysical Journal’ 8월 28일호에 게재됐다.

*논문 : Implications of Symmetry and Pressure in Friedmann Cosmology. I. Formalism