당신이 듣고 있는 그 희미한 우주의 윙윙거림? 우주 냉장고 소리가 아닐 수도 있다. 새로운 연구에 따르면 펄서 타이밍 어레이가 감지한 중력파 배경은 130억 년 전에 형성된 초대질량 블랙홀의 유령 같은 메아리일 수 있으며, 아마도 암흑 물질로 구동되는 가상의 '암흑 별'의 붕괴에서 비롯되었을 수 있다.

Physical Review D에 서한으로 게재된 연구에서 콜게이트 대학의 연구원 소한 고들라와 코스민 일리에 따르면, 초기 우주에서 태어난 초대질량 블랙홀이 오늘날 우리가 감지하는 중력파에 지속적인 흔적을 남길 수 있는지 조사했다. 연관성? 젊은 우주에서 관측된 놀라울 정도로 무거운 블랙홀과 수십억 년 후 이 거대한 쌍이 나선형으로 합쳐질 때 생성된 중력파 사이의 관계다.

연구팀은 초기 블랙홀 씨앗의 한 종류인 초대질량 암흑 별의 잔해가 펄서 타이밍 어레이(PTA) 신호를 지배할 수 있음을 발견했다. 일리에가 말했듯이, '펄서 타이밍 어레이는 일반적으로 비교적 최근 우주에서 초대질량 블랙홀 쌍성의 탐사선으로 생각됩니다. 우리 연구가 보여주는 것은 그 신호가 우주 새벽에 그 블랙홀의 조상이 어떻게 형성되었는지에 대한 정보도 포함할 수 있다는 것입니다.'

펄서 전문 용어에 익숙하지 않은 사람들을 위해: 펄서 타이밍 어레이는 빠르게 회전하는 중성자별을 우주 시계로 사용한다. 중력파가 통과하면 지구에 도달하는 전파 펄스의 타이밍을 미묘하게 바꾼다. 많은 펄서를 추적함으로써 팀은 나노헤르츠 주파수에서 확률적 중력파 배경의 증거를 찾았으며, 이는 아마도 초대질량 블랙홀 쌍성, 특히 총 질량이 태양의 10억 배가 넘는 쌍성에서 비롯된 것일 가능성이 높다.

하지만 그 블랙홀은 어떻게 그렇게 빨리 그렇게 커졌을까? 그곳에서 암흑 별이 등장한다. 이 가상의 원시 별은 핵융합이 아닌 암흑 물질 가열에 의해 구동되며, 블랙홀로 붕괴되기 전에 태양 질량의 백만 배 이상으로 성장할 수 있다. 고들라와 일리는 그러한 씨앗이 어떻게 진화하고, 합쳐지고, 중력파를 생성하는지 모델링했다.

그들의 결론? 암흑 별 잔해가 약 10^-3 Mpc^-3의 수 밀도로 존재한다면, 그 후손은 PTA 신호의 많은 부분, 아마도 지배적인 부분을 기여할 수 있다. 대조적으로, 직접 붕괴 블랙홀은 밀도가 10^-6 Mpc^-3에 가깝고 기여도가 훨씬 적을 것이다.

이 연구는 또한 깔끔한 반전을 강조한다: PTA 관측은 이러한 초기 씨앗이 얼마나 흔했는지 제한할 수 있다. '너무 많은 거대한 씨앗을 생성하면 PTA 감지 신호를 과잉 생성하게 됩니다. 너무 적게 생성하면 나중에 이러한 초대질량 블랙홀을 효율적으로 조립할 다른 소스가 필요합니다.'라고 고들라가 말했다. 씨앗 밀도가 약 10^-2에서 10^-1 Mpc^-3이면 관측 한계를 초과할 것이며, 이는 헤일로 질량에 따라 다르다.

이것은 PTA에 예상치 못한 능력, 즉 적색편이 10보다 큰 개체군을 조사할 수 있는 능력을 부여한다. 그 후손이 오늘날 우리가 보는 파도를 생성하는 고대 물체 말이다. 계산은 또한 총 블랙홀 질량이 약 10^9 태양 질량 이상인 쌍성이 신호를 지배한다는 것을 확인한다.

그러니 다음에 그 우주의 윙윙거림을 들을 때, 기억하세요: 그것은 암흑 물질로 구동되는 별에서 태어난 우주 최초의 초대질량 블랙홀의 중력파 흔적일지도 모릅니다. 우주가 그렇게 극적인 기원을 가졌다는 것을 누가 알았겠어요?