태양 수십 억 배에 달하는 초 대질량 블랙홀은 대부분의 은하계 중심에 자리하고 있다.

2015년 과학자들이 블랙홀 충돌에서 시공간 파동 중력파를 처음으로 감지했다. 레이저 간섭계 중력파 천문대(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)는 그 이후로 충돌하는 한 쌍의 이진(binary) 블랙홀들을 발견해 왔다.

블랙홀의 거대 질량은 어떻게 형성되는가.

일부 이론에 따르면 작은 블랙홀 합병 또는 연쇄적 합병은 초대질량 블랙홀의 초기 구심점을 형성할 수 있다. 새 이론에 따르면 LIGO 초대질량 블랙홀은 거대 은하계 중심 부근에서 발생하는데, 빛을 내는 거대한 가스 원반이 중심 블랙홀 주위로 소용돌이를 형성한다. 이 둘러싼 가스 덕분에 소위 활성 은하핵(active galactic nuclei, AGN)은 작은 블랙홀을 거대 블랙홀로 키워갈 수 있다.

만약 그렇다면, LIGO는 이 초대질량 블랙홀의 발달 과정을 찾을 수 있을 것이다. 일부 연구자들은 최근 AGN과 블랙홀 합병을 암시하는 힌트, 즉 중력파를 사용해 블랙홀 뿐만 아니라 그들을 탄생시킨 별과 은하들을 쫒고 있다.

폭발한 별의 잔해에서 태어난 블랙홀은 일반적으로 AGN의 가스 디스크 평면에 기울어진 궤도에서 시작된다. 디스크에 진입하면서 마찰로 인해 속도가 느려지고 디스크에 맞춰 경로가 틀어진다. 일단 내부에 진입하면 되면 불균일 한 압력이 초기에 흩어진 위치에서 은하의 중심 블랙홀 주변의 특수 고리로 블랙홀을 형성할 수 있다.

사이언티픽어메리카 저널에서 미국 플로리다대(University of Florida) LIGO 협력 멤버 이믈러 바토스(Imre Bartos)는 이러한 은하 ‘마이그레이션 트랩(migration traps)”이 수만 개의 블랙홀을 신속하게 모으는 과정에서 많은 블랙홀이 쌍을 이룰 정도로 가까워 질 수 있다고 추정했다. 그 후에는 주위 가스 마찰로 인해 빈 공간보다 1,000배 일찍 충돌하게 된다.

바토스는 “그들은 강제로 합쳐질 것”이라며 “블랙홀 조립 라인은 블랙홀을 하나 씩 추가하는 곳과 같다”고 말했다.

우주의 블랙홀 합병 대부분은 중간 정도의 질량을 가진 별이 빛나는 이진 블랙홀(생성하고 함께 죽어가는 별 쌍) 사이의 일회성 결승으로 생각된다. 그러나 AGN 디스크가 실제로 작은 구멍으로 만들어진 큰 블랙홀을 만들어 내고 있다면, 결국 중력파 관측에서 두 가지 측면에서 두드러 져야한다.

LIGO는 3차 관측을 통해 올해 천문관측을 위한 수십 개의 중력파 후보를 발표했다. 처음 두 번의 관찰에서 10개의 블랙홀 합병 중 9개에서 느리게 회전하거나 전혀 회전하지 않는 쌍에서 온 것으로 보인다고 지적했다. 그러나 AGN 디스크에서와 같이 충돌은 블랙홀 병합을 스핀해 일반적으로 후속 세대의 합병이 더 빠르게 회전하게 한다. 특히 충돌 후 짝수 질량의 두 블랙홀이 이론상 최고 속도의 70 %로 회전해야하므로 바토스와 그의 동료들은 이미 소용돌이 치는 블랙홀 사이의 충돌을 경계하고 있다.

그들은 또한 거대한 합병을 지켜보고 있다.

중국 과학자들이 약 14,000 광년 떨어진 태양 질량 68배에 달하는 블랙홀 추정 관측 결과를 11월 28일 네이처(Nature)에 발표했다. 이론가들은 초신성 폭발의 여파로 형성되는“스텔라 질량(stellar-mass)”블랙홀의 경우는 약 45-55 태양 질량의 상한을 예측해왔다.

이에 대해 멕스 테크마크(Max Tegmark) MIT 물리학 교수는 SNS(링크드인)에서 “중국 팀이 주장하는 블랙홀 관측치는 2017년 물리학노벨상을 낳은 충돌하는 블랙홀 중력파보다 약 2배 나 크다”며 “데이터 해석은 복잡하기 때문에 전 세계의 과학자들이 이 흥미로운 시스템을 관측, 곧 더 멋진 논문을 발표할 것으로 기대한다”고 말했다.

영국 버밍엄대 데이비드 게로사(Davide Gerosa)에 따르면 은하의 작은 별 군집인 구상 성단은 비정상적으로 무겁고 빠르게 회전하는 블랙홀을 위한 또 다른 가능성의 공간이다. 이곳에서 블랙홀은 때때로 서로 부딪히는 조밀한 군중을 형성 할 수 있다. 그러나 게로사가 참여한 최근 연구에 따르면 그러한 충돌로 인한 반동으로 구상 성단에서 쌍을 이루기 어려움을 발견했다.

반면 AGN 디스크의 더 큰 별 그룹에서 블랙홀이 탈출하기 위해서는 더 많은 반동이 필요해, 블랙홀 쌍을 이룰 가능성이 높다.

LIGO 카탈로그에서 최다 합병 사례인 ‘GW170729’는 AGN 디스크가 생산할 수 있는 종류라고 바토스와 그의 동료들은 11월 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에서 제안했다. 이 경우 블랙홀 중 하나의 무게는 약 50개 태양 질량이었고, 쌍의 집단 스핀 측정에서 합병 전에 최고 속도의 약 40 %를 보였다.

또 다른 AGN 이벤트는 10월 IAS(Institute for Advanced Study) 연구자들이 LIGO 데이터를 토대로 가능한 두가지 합병을 제시한 LIGO 자체 출판 기준을 충족하지 않았지만 진정성있는 출판 전 논문에 나타났다. ‘GW170817A’로 최대 56개 태양질량과 최대 50%의 합병전 스핀으로 이 후보 합병은 GW170729보다 AGN 충돌 예측치와 일치한다. 피어 리뷰를 거치지 않은 논문은 11월 말 출판 전 논문사이트(arXiv.org)에 게재됐다.

바토스는“이것은 정확히 같은 종류의 사건”이라고 말한다.

GW170817A는 LIGO의 두 탐지기 중 하나에만 기록됐다. 이는 멀리 떨어진 천체의 대격변이 아니라 지구에서의 노이즈로 발생하는 잘못된 경고 일 수 있다. 또한 우주의 별 중 일부만이 AGN에 있기 때문에 바토스 그룹은 제시된 이 두 합병 특성은 일반적인 이진 블랙홀을 반영할 가능성이 높으며, 이들이 AGN 블랙홀이기 때문에 더 무겁고 빠르게 회전할 가능성이 높다고 결론지었다.

다른 연구자들은 AGN 디스크에서 때때로 블랙홀 충돌을 유발 있지만,이 희귀한 충돌 유형이나 다른 것들의 현실을 결론적으로 입증하기 위해서는 더 많은 데이터와 더 나은 예측이 필요하다고 강조한다.

블랙홀 합병을 위한 AGN 디스크와 다른 블랙홀 추정 생산 메커니즘을 구별할 수 있을까.

LIGO 카탈로그가 팽창함에 따라 스핀 및 질량을 기반으로 하는 카테고리가 훨씬 더 명확 해져야한다. 바토스는 중력파 보다는 빛에 기초한 전통적인 천문학도 도움이 될 수 있다고 제안한다. 알려진 AGN과 함께 중력 충돌이 발생하면 추가 힌트가 제공된다. 천문학자들이 망원경을 사용해 AGN 시그니처가 있는 중력파 원천을 신속하게 관찰 할 수 있다면, 천체 물리학 저널 레터스(Astrophysical Journal Letters)의 최근 간행물에서 제안하는 바와 같이 가스 충돌 후 충격파에서 나온 것으로 가정 된 빛의 섬광을 엿볼 수 있다.

천체 물리학자들은 새로운 블랙홀 분류 체계를 구축하는 과정을 브레인스토밍하고 있다.