두 블랙홀의 합체

두 블랙홀이 나선을 그리며 가까워지고, 공간 자체를 뒤흔들고, 13억 년 뒤 지구에서 들리기까지

단계별로

블랙홀 한 쌍

둘 다 무거운 별의 잔해입니다. 큰 쪽의 사건의 지평선은 지름 약 210km, 작은 쪽은 약 170km로 도시보다 크지 않지만, 각각의 주위에서 뒤쪽 별빛이 호와 고리 모양으로 휘어집니다. 이런 두 블랙홀이 어떻게 서로를 돌게 되었는지는 아직 논쟁 중입니다. 거대한 별 한 쌍으로 태어났거나, 별이 빽빽한 성단에서 만났을 수 있습니다.

바깥에서 둘을 밀어붙이는 것은 없습니다. 궤도는 공간 자체에 일으키는 잔물결에 에너지를 빼앗겨 줄어듭니다. 처음에는 천천히, 나중에는 점점 더 빨리. 이 거리에서 남은 시간은 약 50분입니다.

공간의 잔물결

돌면서 둘은 공간 자체를 뒤흔듭니다. 중력파가 빛의 속도로 퍼져 나가며 공간을 한 방향으로 늘이고 다른 방향으로 누릅니다. 한 바퀴에 두 번씩입니다.

알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 1916년에 이 파동을 예측했습니다. 운동이 바뀌는 질량은 모두 중력파를 내지만, 의미 있을 만큼 강한 파동을 만드는 것은 아주 빠르게 움직이는 거대한 질량뿐입니다. 여기서는 궤도면 위에 그렸으며, 공간이 늘어나는 곳은 금색, 눌리는 곳은 파란색입니다. 각 부분은 그 파동이 출발할 때 쌍이 무엇을 하고 있었는지 보여 줍니다.

중력파는 에너지를 가져가고, 그 에너지는 궤도에서 나옵니다. 그래도 100만 km 떨어진 곳에서조차 공간을 겨우 100만분의 1 정도 늘일 뿐입니다. 1초에 한 번쯤 오르내리는 이 느린 파동은 지구의 어떤 검출기로도 느끼기에는 너무 느립니다.

점점 더 빠르게

시간 빠르게: 궤도가 줄어들수록 빨라지고 중력파는 강해집니다. 마지막 50분 동안 두 블랙홀은 10,000km에서 약 900km까지 가까워지며 1초에 17바퀴를 돕니다.

가까울수록 더 빨리 움직이고 더 강한 중력파를 내므로, 궤도는 에너지를 더욱 빨리 잃습니다. 나선은 저절로 가속됩니다. 이 50분의 대부분은 넓고 느린 회전으로 지나가고, 마지막 1,000km는 3분의 1초도 걸리지 않습니다.

중력파의 높이(진동수)는 궤도가 1초에 도는 횟수의 두 배입니다. 그것이 1초에 약 30번을 넘어 LIGO 검출기가 느낄 만큼 빨라질 때, 두 블랙홀은 서로에 대해 빛의 속도의 3분의 1로 움직입니다.

마지막 5분의 1초

약 70배 느리게: 마지막 5분의 1초 동안 두 블랙홀은 다섯 바퀴를 더 돌고, 빛의 속도의 절반보다 빠르게 움직이며 약 320km까지 가까워집니다.

LIGO가 들은 것은 바로 이 부분입니다. 5분의 1초 동안 약 10번 진동하며, 높이는 1초에 약 35번에서 150번으로 올라가고 세기도 계속 커집니다. 소리로 바꾸면 새가 지저귀듯 올라가서, 과학자들은 이를 '처프'라고 부릅니다.

이렇게 가까우면 두 블랙홀이 공간을 너무 강하게 휘어서 나선의 단순한 공식은 더 이상 맞지 않습니다. 끝까지 따라갈 수 있는 것은 아인슈타인의 방정식을 푸는 슈퍼컴퓨터뿐입니다. 과학자들은 LIGO의 측정을 이런 시뮬레이션 수천 개와 비교해 질량이 태양 36개와 29개임을 알아냈습니다.

둘이 하나로

사건의 지평선이 맞닿아 합쳐집니다. 이제 태양 3개만큼의 질량이 중력파로 바뀌었고, 그 대부분은 마지막 5분의 1초 동안 일어났습니다. 최고점에서 중력파는 관측 가능한 우주의 모든 별보다 큰 출력을 실어 나릅니다.

최고점에서 중력파는 약 3.6 × 10⁴⁹와트를 실어 가는데, 이는 관측 가능한 우주의 모든 별빛을 합친 것의 약 50배입니다. 다만 1000분의 몇 초 동안뿐입니다. 결국 태양 36개와 29개가 62개짜리 블랙홀이 되었고, 모자란 3개는 중력파로 떠났습니다.

합체 자체는 여기서 단순하게 그렸습니다. 실제로 무슨 일이 일어나는지는 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션이 보여 줍니다. 두 지평선이 울퉁불퉁한 하나의 지평선으로 이어지고, 곧 모양을 되찾습니다. 그동안 빠져나가는 것은 중력파뿐입니다. 빈 공간에서 합쳐지는 두 블랙홀은 빛을 전혀 내지 않습니다.

하나의 블랙홀

남은 것은 태양 62개 질량의 블랙홀 하나로, 그 지평선은 1초에 약 100번 돕니다. 이 블랙홀은 두드린 종처럼 1초에 약 250번의 진동으로 울리고는 거의 곧바로 잠잠해졌습니다.

이 울림은 새 지평선이 모양을 되찾는 과정입니다. 그 높이와 사라지는 빠르기는 블랙홀의 질량과 자전에만 달려 있는데, 바로 일반 상대성 이론이 예측한 그대로이며 LIGO가 들은 것도 이와 일치합니다.

스티븐 호킹은 1971년, 블랙홀 지평선들의 넓이의 합은 결코 줄어들 수 없음을 보였습니다. 여기서 두 지평선의 넓이는 합쳐서 약 230,000km²였고, 새 지평선은 약 370,000km²로, 태양 3개만큼의 질량을 잃었는데도 더 넓습니다. 2025년에는 더 선명하게 들린 합체 GW250114가 이를 그 어느 때보다 분명하게 확인했습니다.

우주로

중력파는 빛의 속도로 멀어지며 퍼질수록 약해집니다. 1초 남짓이면 지구에서 달까지의 거리를, 8분이면 지구에서 태양까지의 거리를 지납니다.

세기는 거리에 비례해 약해집니다. 10배 멀면 10배 약합니다. 빛과 달리 별과 가스와 먼지를 아무것도 없는 듯이 통과하므로, 떠날 때 모습 그대로 약해지기만 한 채 도착합니다.

중력파는 13억 년을 여행했습니다. 출발할 때 지구의 생명은 아직 대부분 단세포였습니다. 도중에 우주가 팽창하며 중력파도 함께 늘여서, 떠날 때보다 9% 길고 낮은 음으로 도착했습니다. 과학자들은 질량을 계산할 때 이를 감안합니다.

LIGO가 듣다

2015년 9월 14일 09:50:45 UTC, 중력파가 남쪽 하늘에서 지구를 휩쓸고 지나갔습니다. 루이지애나주 리빙스턴의 LIGO 검출기가 먼저 느꼈고, 3,000km 떨어진 워싱턴주 핸퍼드의 검출기는 1000분의 7초 뒤에 느꼈습니다.

LIGO 검출기는 각각 길이 4km인 두 팔로 된 L자 모양이고, 그 안을 레이저 빛이 오갑니다. 지나가는 중력파는 한 팔을 늘이고 다른 팔을 누릅니다. 최고점에서 이 팔들의 길이는 양성자 폭의 약 1000분의 1만큼 변했고, LIGO는 그것을 측정했습니다.

중력파는 빛의 속도로 이동하므로, 두 검출기 사이의 7ms로 발원지가 남쪽 하늘의 한 고리 위에 있다는 것까지 알 수 있었습니다. 검출기 두 대로는 그 이상은 알 수 없었습니다. 미국은 밤이었고, 루이지애나는 새벽 4시 50분이었습니다. 여기서는 시간이 약 60배 느리게 흐릅니다.

그 뒤로 수백 번

중력파가 검출된 것은 이때가 처음이었고, 아인슈타인이 예측한 지 한 세기 만이었습니다. 2025년까지 검출기들은 블랙홀 합체를 약 300번 들었습니다. 며칠에 한 번꼴입니다.

이 발견으로 라이너 바이스, 배리 배리시, 킵 손이 2017년 노벨 물리학상을 받았습니다. 이제 LIGO는 이탈리아의 Virgo, 일본의 KAGRA와 함께 듣습니다. 검출기가 세 대 이상이면 하늘에서 발원지의 위치를 훨씬 정확히 찾을 수 있습니다.

지금까지 들린 가장 무거운 쌍 GW231123은 태양 약 225개 질량의 블랙홀이 되었습니다. 2017년에는 두 중성자별의 충돌이 들렸고, 이어서 망원경들이 폭발의 빛을 포착했습니다. 금 같은 무거운 원소는 그런 곳에서 만들어집니다.