중력파가 블랙홀 내부를 볼 수 있는 방법

블랙홀은 우주에서 가장 수수께끼 같은 물체 중 하나로, 이는 블랙홀의 초밀도 중심을 연구할 때 일반적인 상대성 이론이 무너지기 때문입니다. "블랙홀의 중심에는 무엇이 숨어 있을까"라는 오랜 질문에 최근 과학계는 "블랙홀 충돌로 인한 시공간 파동을 연구하면 답을 찾을 수 있다"라는 답변을 내놨습니다. 새로운 논문에서 중력파를 사용해 병합 블랙홀 내부를 보고 실제로 무엇으로 구성되어 있는지 알아낸 천문학자들은 이 문제를 극복할 수 있는 방법을 제시했습니다.

 

아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 블랙홀은 엄청나게 강한 중력으로 인해 빛이 빠져나가는 것을 막는 물체로 그려졌습니다. 블랙홀의 경계는 사건의 지평선으로 알려져 있으며, 만일 사람이 그 문턱을 넘어간다면 결코 빠져나올 수 없을 것입니다. 상대성 이론은 블랙홀의 중심이 특이점이라고 알려진 무한히 높은 밀도의 지점이라고 예측했습니다. 특이점이 존재한다는 것은 방정식 자체가 무너지고 있음을 의미하며 추가 계산을 방해하는 무한대가 나타나기 시작합니다. 이에 일반 상대성이론은 불완전하다는 결론, 결국 "블랙홀 중심에서 일어나는 일을 적절하게 설명할 수 있는 보다 근본적인 이론이 있어야 한다"라는 주장이 나옵니다. 일부 과학자들은 해당 이론이 아원자 규모의 양자 물리학과 연결된 것이라는 추정도 내놨습니다.

 

중력에 대한 완전한 양자 이론은 아직 없지만 몇 가지 후보는 존재하는 상황, 이 중 하나는 끈 이론으로 우주의 모든 입자가 실제로 매우 작은 진동하는 끈으로 구성되어 있다고 예측합니다. 또 다른 이론으로는 시공간 자체가 컴퓨터 화면의 픽셀처럼 작고 분할할 수 없는 덩어리로 구성되어 있다는 루프 양자 중력 이론이 있습니다. 이 두 가지 접근 방식은 블랙홀 중심의 전통적인 특이점을 다른 것으로 대체할 수 있지만, 특이점을 대체할 경우 일반적으로 사건의 지평선도 제거됩니다.

 

사건의 지평선은 특이점의 무한한 중력에 의해 발생하기 때문, 특이점이 없으면 중력의 당기는 힘은 엄청나게 강할 뿐 무한하지는 않습니다. 따라서 충분한 속도로 도망가는 한 항상 블랙홀 근처에서 탈출할 수 있습니다. 끈 이론의 일부 변형에서는 특이점과 사건의 지평선이 얽힌 시공간 매듭의 네트워크로 대체됩니다. 루프 양자 중력 이론에서 특이점은 극도로 작고 밀도가 높은 외래 물질 덩어리가 됩니다. 다른 모델에서 전체 블랙홀은 물질의 얇은 껍질이나 새로운 종류의 추측 입자 덩어리로 대체됩니다.

 

다만 가장 가깝게 알려진 블랙홀도 수천 광년 떨어져 있기 때문에 이러한 모델을 테스트하는 것은 어렵습니다. 그러나 블랙홀은 때때로 우리에게 중요한 정보를 보내고 있으며 특히 블랙홀이 합쳐질 때 이러한 현상은 더욱 잘 발견됩니다. 지금까지 블랙홀 합병에 대한 모든 관측은 일반 상대성이론이 예측한 바닐라 블랙홀 모델과 일치합니다. 그러나 최근 발표된 논문에서 과학자들은 "새로운 세대의 중력파 관측소가 온라인에 등장함에 따라 미래에는 상황이 바뀔 수 있습니다"라고 관측했습니다.

 

논문에 따르면 핵심은 합병 자체 중에 방출되는 중력파가 아니라 직후에 방출되는 중력파로, 병합이 완료되고 두 개의 블랙홀이 하나의 물체가 되면 새로 병합된 덩어리는 종을 치는 것처럼 강렬한 에너지로 진동하게 됩니다. 이 링다운 단계에는 뚜렷한 중력파 특성이 있습니다. 연구자들은 이러한 특징을 연구함으로써 어떠한 블랙홀 이론이 유효한지, 그렇지 않은지 알 수 있게 될 것이라는 기대감을 내비쳤습니다.

 

각 블랙홀 모델은 링다운 단계에서 방출되는 중력파의 차이를 예측하며 이는 블랙홀 내부 구조의 차이로 인해 발생합니다. 블랙홀의 구조가 다르면 다양한 종류의 중력파가 나오게 됩니다. 차세대 중력파 탐지기가 링다운 신호에 대한 작은 변화를 탐지할 수 있을 만큼 민감하기를 바라고 있는 천문학자들은 "만약 그렇게 된다면 블랙홀에 대한 우리의 개념을 근본적으로 바꾸고 블랙홀의 가장 깊은 미스터리를 풀기 위해 앞으로 나아갈 수 있을 것"이라고 전망했습니다.