중력파 탐지는 아인슈타인과 호킹의 블랙홀에 대한 '예언'을 확증한다.

과학자들이 블랙홀 충돌에서 발생하는 중력파 신호를 가장 상세하게 기록함으로써, 아인슈타인과 호킹이 블랙홀에 대해 예측했던 두 가지 중요한 사실을 처음으로 확인했습니다.

두 블랙홀이 합쳐지면 중력파라고 불리는 우주의 파동이 발생합니다. 지구에 있는 탐지기는 이러한 신호를 "포착"하여 과학자들이 우주를 더 잘 이해할 수 있도록 도와줍니다. - 사진: Maggie Chiang/Simons Foundation

빛조차 탈출할 수 없을 정도로 강력한 중력을 가진 "우주의 괴물"인 블랙홀은 오랫동안 과학자들에게 매혹적인 연구 대상이었습니다.

100년도 더 전에 알베르트 아인슈타인의 이론 저서에 등장했고 20세기에 스티븐 호킹에 의해 광범위하게 연구되었음에도 불구하고, 블랙홀은 그 "보이지 않는" 본질 때문에 우주에서 가장 접근하기 어려운 주제로 남아 있습니다.

중력파: 블랙홀 연구의 열쇠.

2015년, 미국의 LIGO 중력파 관측소는 최초로 중력파를 감지했습니다. 중력파는 우주 저 멀리 떨어진 곳에서 두 블랙홀이 충돌할 때 발생하는 시공간의 파동입니다. 이 발견은 우주 관측에 "새로운 관점을 제시했다"는 평가를 받았으며, 블랙홀에 대한 이론들을 직접 검증할 수 있는 기회를 제공했습니다.

하지만 초기 데이터는 이러한 두 가지 핵심 예측을 확인하기에 충분히 상세하지 않습니다.

하나는 아인슈타인의 커 이론 입니다. 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀은 질량과 스핀이라는 두 가지 기본 속성으로만 설명될 수 있습니다. 블랙홀로 빨려 들어갈 때 다른 모든 특성은 "사라지는데", 이를 "털 없는 정리"라고 합니다.

둘째로, 호킹의 면적 정리가 있습니다. 1971년 스티븐 호킹은 블랙홀의 사건 지평선, 즉 아무것도 탈출할 수 없는 경계의 면적은 시간이 지나도 일정하게 유지되거나 증가할 뿐, 절대 감소하지 않을 것이라고 예측했습니다.

이는 우주의 엔트로피(무질서 정도)가 항상 증가한다는 열역학 제2법칙과 유사한 원리로 여겨집니다.

십 년 만의 돌파구

사이언스데일리 에 따르면, 국제 공동 연구팀인 LIGO-Virgo-KAGRA는 최근 학술지 Physical Review Letters 에 새로운 연구 결과를 발표했습니다. 이들은 두 블랙홀의 충돌(GW250114 사건)로 생성된 태양 질량의 63배에 달하는 초거대 블랙홀이 초당 100회 회전하는 현상에서 비롯된 중력파 신호를 지금까지 관측된 것 중 가장 상세하게 기록했습니다.

획기적인 기술 발전 덕분에 과학자들은 처음으로 두 블랙홀의 병합 전후 사건에 대한 "완전한 그림"을 얻게 되었습니다. 이 데이터를 통해 그들은 두 가지 가설을 동시에 확인했습니다.

블랙홀은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 대로 질량과 회전으로 정확하게 설명됩니다.

호킹의 면적 정리에 따라, 사건 지평선의 면적은 합병 후에만 증가했다.

아인슈타인(오른쪽)과 호킹(왼쪽)은 블랙홀의 본질에 대해 정확한 관측을 했습니다. - 사진: MashableIndia

블랙홀부터 우주의 본질까지

호킹 정리의 증명은 블랙홀과 열역학 사이의 놀라운 유사성을 드러냅니다. 다시 말해, 블랙홀 표면적의 증가는 엔트로피의 증가와 유사하며, 이는 블랙홀이 공간, 시간의 본질, 나아가 현대 물리학의 가장 큰 과제인 일반 상대성 이론과 양자 역학을 양자 중력으로 통합하는 데까지 이르는 심층적인 이해를 가능하게 하는 "수학적 창"이 될 수 있음을 시사합니다.

연구팀의 일원인 막시밀리아노 이시는 "이번 결과는 우주에 있는 블랙홀이 아인슈타인의 이론에서 묘사한 것과 매우 유사하다는 것을 보여주는 가장 명확한 증거입니다. 블랙홀의 표면적이 유사한 엔트로피 패턴을 따른다는 사실은 우주의 본질에 매우 심오한 의미를 지닙니다."라고 밝혔습니다.

향후 10년 동안 중력파 탐지기는 현재보다 10배 더 민감해질 것입니다. 레이저 간섭계 우주 안테나(LISA)의 후속 프로젝트가 건설 중이며, 은하 중심에 있는 초거대 블랙홀에서 발생하는 진동을 포착할 것으로 기대됩니다.

아인슈타인이 수학 방정식을 이용해 블랙홀을 예측한 지 100년이 넘었고, 호킹이 이론적으로 이를 증명한 지 반세기가 넘은 지금, 인류는 그들의 예측이 옳았음을 증명하는 신호를 직접 "듣고" "보기" 시작했습니다.

이전에는 과학책에서만 존재했던 블랙홀이 천문학자들의 눈앞에서 점차 "실재하는" 존재로 드러나고 있으며, 기록된 각각의 중력파 신호는 인류가 우리가 살고 있는 신비로운 우주를 더 잘 이해하는 데 한 걸음 더 나아가는 계기가 되고 있습니다.

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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