이중 블랙홀 뒤에 숨어 있는 '보이지 않는 거인' 발견

Sự hợp nhất của lỗ đen nhị phân gần một lỗ đen siêu lớn. Nguồn: SHAO

초대질량 블랙홀 근처에서 이중 블랙홀이 합병하는 모습. 출처: SHAO

이중 블랙홀은 이미 우주에서 가장 신비로운 현상 중 하나이지만, 중국과학원 상하이 천문대(SHAO)의 과학자들은 최근 이중 블랙홀이 유일한 존재가 아닐 수도 있다는 증거를 발견했습니다. 일부 이중 블랙홀 계는 근처에 있는 신비로운 "거대 동반 블랙홀"에 의해 지배될 가능성이 높습니다.

SHAO의 웬비아오 한 박사가 이끄는 연구팀은 이중 블랙홀 합병 사건인 GW190814가 세 번째 물체(아마도 초대질량 블랙홀 자체)의 중력적 영향으로 발생했을 가능성이 있다는 징후를 보고했습니다.

천체물리학 저널 레터스에 게재된 연구 결과는 이중 블랙홀의 기원을 밝히는 데 중요한 단서를 제공합니다.

Sự kiện sóng hấp dẫn được phát hiện bởi dự án hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA. Nguồn: SHAO

LIGO-Virgo-KAGRA 협력으로 감지된 중력파 현상. 출처: SHAO

2015년 이후 LIGO-Virgo-KAGRA 협력 연구진은 주로 블랙홀 이중성계 병합에서 발생하는 100건 이상의 중력파를 감지했습니다. 이러한 중력파는 천체물리학의 이해에 기여했지만, 그 형성 및 진화 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다.

한 박사 연구팀은 이전에 "b-EMRI" 모델을 제안했는데, 이는 초대질량 블랙홀이 이중 블랙홀을 "포획"하여 3단계 시스템을 형성하는 시나리오를 설명합니다. 이 구조에서 이중 블랙홀 쌍은 초대질량 블랙홀을 공전하며 여러 주파수 대역의 중력파를 방출합니다. 이 모델은 LISA 백서에 포함되었으며, 중국 우주 중력파 관측소의 중요한 연구 대상으로 선정되었습니다. 그 이후로 과학자들은 LIGO-Virgo 데이터를 통해 초대질량 블랙홀 근처에서 이중 블랙홀 합병의 흔적을 찾아왔습니다.

GW190814 데이터를 분석한 결과, 연구진은 두 블랙홀이 합쳐지는 질량비가 거의 10:1에 달하는 것을 발견했습니다. 공동 저자인 슈청 양(Shucheng Yang) 박사에 따르면, 이러한 불균형은 두 블랙홀이 한때 삼중성계의 일부였으며, 초대질량 블랙홀이 중력 상호작용을 통해 두 블랙홀을 하나로 끌어당겼음을 시사할 가능성이 높습니다. 또 다른 가설은 두 블랙홀이 활동 은하핵의 강착 원반 내에서 형성되었으며, 고밀도 천체의 중력이 합병을 주도했다는 것입니다.

과학자들은 이중 블랙홀이 세 번째 고밀도 천체 근처에서 합쳐질 경우, 이 천체 주위를 공전하는 블랙홀의 궤도가 시선 가속도, 즉 관측자의 시선 방향을 따라 가속도를 발생시킬 것이라고 믿습니다. 이 가속도는 도플러 효과를 통해 중력파의 주파수를 변화시켜 신호에 "지문"을 남깁니다.

Ước tính tham số cho GW190814, bao gồm khối lượng của hai lỗ đen (*m*~1~ và *m*~2~), khoảng cách độ sáng (*d*~L~), gia tốc đường ngắm (*a*) và chỉ số lũy thừa (*n*~I~). Đường nét đứt biểu thị giá trị trung vị và khoảng tin cậy 90%. Biểu đồ đường đồng mức thể hiện khoảng tin cậy 50% và 90%. Nguồn: SHAO

GW190814에 대한 매개변수 추정값에는 두 블랙홀의 질량(*m*~1~ 및 *m*~2~), 광도 간격(*d*~L~), 시선 가속도(*a*), 그리고 파워 지수(*n*~I~)가 포함됩니다. 점선은 중앙값과 90% 신뢰구간을 나타냅니다. 등고선 그림은 50% 및 90% 신뢰구간을 나타냅니다. 출처: SHAO

이를 확인하기 위해 연구팀은 시선 가속도를 포함하는 중력파 모델을 개발하고, 강한 신호를 가진 여러 사건에 베이지안 분석을 적용했습니다. 그 결과, GW190814의 경우 시선 가속도 모델이 고립된 이중 블랙홀 가설보다 우수한 성능을 보였습니다.

이 가속도는 약 0.002 c/s-1(90% 신뢰 수준, 여기서 c는 빛의 속도)로 추정되며, 베이즈 계수는 58:1입니다. 이는 시선 가속도가 존재한다는 강력한 증거입니다.

한 박사는 "이것은 이중 블랙홀 병합에서 세 번째의 고밀도 천체의 존재를 보여주는 최초의 국제적 증거입니다."라고 말했습니다. "이 발견은 GW190814의 이중 블랙홀이 독립적으로 형성된 것이 아니라 복잡한 시스템의 일부일 수 있음을 시사하며, 이중 블랙홀 형성 메커니즘에 대한 새로운 관점을 제시합니다."

미래에 아인슈타인 망원경, 코스믹 익스플로러, 또는 LISA, 타이지, 톈친과 같은 차세대 중력파 검출기가 가동되면 과학자들은 신호의 미세한 변화도 높은 정밀도로 감지할 수 있을 것으로 기대합니다. 이를 통해 GW190814와 같은 더 많은 사건을 해독하고, 이중 블랙홀의 형성과 진화를 설명하는 데 더욱 가까워질 것입니다.

라 케(SciTech Daily에 따르면)

출처: https://doanhnghiepvn.vn/cong-nghe/phat-hien-nguoi-khong-lo-vo-hinh-an-minh-sau-ho-den-doi/20250901102834250