새로 발견된 블랙홀의 속도 제한은 새로운 물리 법칙을 암시한다

초대질량 블랙홀이 충돌로 인해 반동할 때 속도는 빛 속도의 10분의 1에 달할 수 있다는 새로운 연구 결과가 나왔습니다. 연구자들은 우주에서 가장 극심한 충돌에 대한 새로운 속도 제한을 확인했습니다. 과학 학술지에 발표된 연구에 따르면, 블랙홀 충돌의 가능한 최대 반동 속도는 무려 1억2백만 km/h(6,300만mph)를 초과합니다. 이는 빛 속도의 약 10분의 1입니다. 연구 저자에 따르면, "이 최고점은 충돌 조건이 두 블랙홀이 서로 합쳐지거나 서로 흩어지는 전환점에 있을 때 발생한다"고 합니다.

 

연구원들은 아인슈타인의 상대성 이론 방정식을 사용하여 이 속도를 초과할 수 없다는 것을 수학적으로 증명하여 기본 물리학 법칙에 잠재적인 영향을 미치기를 희망합니다. 뉴욕 로체스터 공과대학의 수학과 통계학 교수이자 연구 공동 저자인 카를로스 루스토는 과학 학술지에 "우리는 보다 보편적인 설명이 될 수 있는 것의 표면을 긁고 있을 뿐이다"라고 말했습니다. 루우스토는 새로 발견된 속도 제한은 "우주에서 가장 작은 물체부터 가장 큰 물체까지 모든 것에 영향을 미치는 더 큰 물리적 법칙의 일부일 수 있다"라고 말했습니다.

 

시공간 구조의 지진

두 개의 블랙홀이 서로 가까이 지나갈 때, 그들은 서로 합쳐지기 전에 공통 질량 중심을 중심으로 방향을 바꾸게 됩니다. 블랙홀이 서로 떨어져 날아가는지 아니면 나선형으로 서로 충돌하는지 여부는 가장 가까운 접근 지점에서의 분리에 따라 달라집니다. 날아가는 블랙홀의 가능한 최대 반동 속도를 확인하기 위해 루우스토와 연구 공동 저자이자 로체스터 공과대학 수학 및 통계 연구원인 제임스 힐리는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 수치 시뮬레이션을 실행했습니다. 이러한 계산은 두 개의 상호 작용하는 블랙홀이 어떻게 진화할지 설명하는 일반 상대성 이론 방정식을 통해 이루어졌습니다.

 

루우스토는 "사람들이 50여 년 전부터 이러한 방정식을 수치적으로 풀기 시작했지만, 그러한 충돌로 인한 중력파의 크기를 예측하는 수치 기술은 2005년까지 개발되지 않았다"라고 설명했습니다. 그 이후로 레이저 간섭계 중력파 관측소는 거의 100번의 블랙홀 충돌을 관찰했습니다. 이러한 충돌 데이터를 수치 상대성 데이터와 비교하면 편심 또는 타원형 블랙홀 궤적이 드러났습니다. 이전에 과학자들은 "서로 접근하는 블랙홀이 거의 원형 궤도에서 서로를 향해 나선형으로 움직일 것"이라고 생각했다고 루우스토는 말했습니다. 타원형 궤도의 발견으로 인해 충돌 가능성이 있는 범위가 넓어졌고 극단적인 충돌 시나리오를 찾게 되었습니다. 루우스토는 "우리가 원했던 것은 이러한 충돌의 한계를 뛰어넘는 것"이라고 말했습니다.

 

루우스토와 힐리는 블랙홀의 초기 운동량, 가장 가까운 접근 지점에서의 분리, 블랙홀 주변의 회전 방향 등 네 가지 매개변수 조정이 두 블랙홀 사이의 중력 결합 결과에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았습니다. 자체 축과 해당 회전의 크기입니다. 연구진은 각각 2~3주가 소요된 1,381번의 시뮬레이션을 실행하여 반대 회전이 서로 스쳐 지나가는 블랙홀의 가능한 반동 속도가 최고점에 달한다는 사실을 발견했습니다. 블랙홀은 모든 방향으로 중력 복사를 방출하지만 반대 스핀은 이 복사를 왜곡하여 반동 속도를 증가시키는 추력을 생성합니다.

 

새로운 연구에 참여하지 않은 플로리다 대학교 물리학과 부교수인 임레 바르토스는 이메일을 통해 과학 학술지에 "블랙홀이 합쳐진 후의 반동은 상호 작용의 중요한 부분"이라고 말했습니다. 이러한 상호작용은 블랙홀 밀도가 높은 우주의 장소에서 특히 중요합니다. 큰 반동으로 인해 해당 지역에서 남은 블랙홀이 완전히 추방될 수 있기 때문입니다. 바르토스는 "모든 제한된 이론적 수량과 마찬가지로 블랙홀이 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 이해에서 벗어나 있음을 나타낼 수 있는 일부 상황에서 자연이 이를 초과하는지 확인하는 것은 흥미로울 것이다"라고 덧붙였습니다.

 

새로운 기초 물리학

루우스토에 따르면 두 개의 충돌하는 블랙홀이 합쳐질지 아니면 반동할지를 결정하는 티핑 포인트는 블랙홀의 궤도에 약간의 변동이 있을 수 있습니다. 이 때문에 루우스토는 이러한 상호 작용을 예로 들어 유한한 양의 잠열이 있는 가열된 물의 폭발적인 1차 상 전이와는 반대로 자기 및 초전도의 2차 상 전이와 같은 부드러운 상 전이에 비유합니다. 다 끓기 전에 흡수됩니다. 연구원들은 또한 이러한 위상 전이의 특성인 스케일링 인자와 유사한 것을 엿볼 수 있었지만, 이를 명확하게 식별하려면 추가 고해상도 시뮬레이션이 필요합니다.

 

그럼에도 불구하고 결과의 이러한 측면은 "원자부터 충돌하는 블랙홀까지 규모에 걸쳐 적용되는 가장 중요한 원리의 가능성을 암시한다"고 루우스토는 말했습니다. 더욱이, 기본 물리학의 두 가지 주요 기둥(중력에 대한 일반 상대성 이론과 다른 기본 힘에 대한 양자 이론)을 결합하는 것은 아직 파악하기 어려운 반면, 블랙홀에 대한 설명은 둘 사이의 장벽에 틈을 열어준 여러 이론과 밀접하게 연결되어 있습니다. 루우스토는 "이것은 엄밀한 증거와는 거리가 멀다"라며, "그러나 다른 사람이나 우리 자신이 뭔가를 만들 수 있을 만큼 추가 연구를 할 가치가 있는 라인이 있다"라고 말했습니다.