중력파 검출로 아인슈타인과 호킹의 블랙홀에 대한 '예언' 확인

과학자들은 블랙홀 충돌로부터 가장 자세한 중력파 신호를 기록했으며, 이를 통해 아인슈타인과 호킹의 블랙홀에 대한 두 가지 중요한 예측이 정확하다는 것을 처음으로 확인했습니다.

두 개의 블랙홀이 합쳐지면 중력파라는 파동이 우주에 생성됩니다. 지구의 감지기는 이러한 신호를 "포착"하여 과학자들이 우주를 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. - 사진: 매기 치앙/시몬스 재단

중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나올 수 없는 "우주 괴물"인 블랙홀은 오랫동안 과학자들에게 매혹적인 주제였습니다.

100년 전 알베르트 아인슈타인의 이론적 연구에 등장했고 20세기에 스티븐 호킹이 광범위하게 연구했음에도 불구하고, 블랙홀은 그 "보이지 않는" 특성 때문에 우주에서 가장 접근하기 어려운 주제로 남아 있습니다.

중력파: 블랙홀 연구의 문을 여는 열쇠

2015년, 미국 LIGO 중력파 관측소는 우주 저 멀리 떨어진 두 블랙홀이 충돌하면서 발생하는 시공간의 파동인 중력파를 최초로 관측했습니다. 이 발견은 우주를 관측하는 "새로운 감각을 열었다"는 평을 받았으며, 블랙홀 이론을 직접 검증할 수 있는 기회를 제공했습니다.

그러나 초기 데이터는 두 가지 중요한 예측을 확인할 만큼 자세하지 않습니다.

하나는 아인슈타인의 커 이론 입니다. 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀은 질량과 스핀이라는 두 가지 기본 속성으로만 설명될 수 있습니다. 다른 모든 속성은 블랙홀에 빠지면 "무모 정리"로 알려진 "사라집니다".

두 번째는 호킹의 면적 정리 입니다. 스티븐 호킹은 1971년에 블랙홀의 사건 지평선, 즉 아무것도 빠져나올 수 없는 경계의 면적은 시간이 지남에 따라 변하지 않거나 증가할 뿐, 결코 감소하지 않는다고 예측했습니다.

이는 우주의 엔트로피(무질서의 정도)가 항상 증가한다는 열역학 제2법칙과 비슷한 원리로 여겨진다.

10년 만에 돌파구

Sciencedaily 에 따르면, 국제 협력 연구팀인 LIGO-Virgo-KAGRA는 최근 Physical Review Letters 저널에 새로운 연구 결과를 발표했습니다. 두 블랙홀의 충돌(GW250114)에서 발생한 중력파 신호를 가장 자세하게 기록했는데, 이 충돌로 인해 태양 질량의 63배에 달하는 거대 블랙홀이 형성되고 초당 최대 100회 회전합니다.

최첨단 기술 덕분에 과학자들은 두 블랙홀의 합병 전후를 모두 담은 "완전한 그림"을 최초로 확보했습니다. 이 데이터를 통해 과학자들은 두 가지 가설을 동시에 확인했습니다.

블랙홀은 실제로 질량과 스핀에 의해 정확하게 설명되는데, 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 바와 같습니다.

호킹의 면적 정리에 따르면 사건의 지평선의 면적은 합병 이후에만 증가합니다.

아인슈타인(오른쪽)과 호킹(왼쪽)은 블랙홀의 본질을 정확하게 평가했습니다. - 사진: MashableIndia

블랙홀에서 우주의 본질까지

호킹 정리의 증명은 블랙홀과 열역학 사이의 기묘한 유사성을 보여줍니다. 다시 말해, 블랙홀의 면적 증가는 엔트로피의 증가와 같습니다. 이는 블랙홀이 공간과 시간의 본질, 그리고 현대 물리학의 가장 위대한 업적, 즉 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하여 양자 중력 이론을 도출한 것을 이해하는 "수학적 창"이 될 수 있음을 시사합니다.

연구팀의 일원인 막시밀리아노 이시는 "이것은 우주의 블랙홀이 실제로 아인슈타인의 이론을 따른다는 가장 확실한 증거입니다."라고 말했습니다. "블랙홀의 면적이 엔트로피와 같은 법칙을 따른다는 사실은 우주의 본질에 심오한 의미를 지닙니다."

다음 10년 안에 중력파 검출기는 현재보다 10배 더 민감해질 것입니다. 레이저 간섭계 우주 안테나 망원경의 후속 망원경이 건설 중이며, 우리 은하 중심부에 있는 초대질량 블랙홀의 진동을 포착할 것으로 기대됩니다.

아인슈타인이 수학 방정식으로 블랙홀을 예측한 지 100년이 넘었고, 호킹이 이를 이론적으로 증명한 지 반세기가 넘은 지금, 인류는 이제 그들이 옳다는 것을 증명하는 신호를 직접 "듣고" "보기" 시작했습니다.

한때 과학책에서만 존재했던 블랙홀은 점차 천문학자들의 눈앞에서 '실제' 존재가 되어가고 있으며, 기록된 중력파 신호 하나하나는 인간이 살고 있는 신비로운 우주를 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 진전입니다.

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민하이

출처: https://tuoitre.vn/phat-hien-song-hap-dan-xac-nhan-tien-tri-cua-einstein-va-hawking-ve-ho-den-20250913075131812.htm