중력파를 연구하는 과학자들은 우주가 어떻게 가장 큰 블랙홀을 만드는지 알아냈다고 생각합니다. 스포일러: 죽어가는 별의 극적인 붕괴가 아닙니다. 대신, 이 우주적인 헤비급들은 도쿄 지하철 러시아워보다 더 빽빽하게 들어찬 별 무리 안에서 여러 번의 충돌을 통해 성장하는 재범자들로 보입니다.
카디프 대학이 주도한 이 연구는 LIGO-Virgo-KAGRA 중력파 과도 현상 카탈로그(GWTC4) 버전 4.0을 분석했으며, 이 카탈로그에는 153개의 신뢰할 수 있는 블랙홀 병합이 기록되어 있습니다. 네이처 천문학에 발표된 이 연구팀은 가장 큰 블랙홀이 "2세대" 물체인지에 초점을 맞췄습니다. 즉, 죽은 별에서 형성된 블랙홀이 서로 충돌한 후, 우리 태양계보다 최대 백만 배 더 가까이 별들이 밀집된 환경에서 다시 병합되는 것입니다.
"중력파 천문학은 이제 블랙홀 병합을 세는 것 이상을 하고 있습니다,"라고 카디프 대학의 주저자 파비오 안토니니 박사가 말했습니다. "블랙홀이 어떻게 성장하는지, 어디서 성장하는지, 그리고 그것이 거대한 별의 삶과 죽음에 대해 무엇을 말해주는지 밝혀내기 시작하고 있습니다." 분석 결과 두 개의 뚜렷한 블랙홀 집단이 확인되었으며, 더 무거운 집단은 특이한 스핀 행동(무작위 방향의 빠른 스핀)을 보였는데, 이는 밀집된 무리에서 반복적인 병합에서 예상되는 바로 그 모습입니다.
"가장 놀라웠던 것은 고질량 블랙홀이 별개의 집단으로 얼마나 명확하게 두드러지는지였습니다,"라고 공동 저자 이소벨 로메로-쇼 박사가 덧붙였습니다. "저질량 시스템과 달리... 고질량 시스템은 더 빠른 스핀을 가지고 있으며, 무작위 방향으로 정렬된 것으로 보입니다. 이것은 블랙홀이 밀집된 별 무리에서 반복적으로 병합될 때 기대되는 정확한 신호입니다."
이 연구는 또한 약 45 태양 질량 주변의 신비한 "질량 간극"에 대한 증거를 강화합니다. 이 질량 범위의 별은 너무 격렬하게 폭발하여 블랙홀을 남기지 않아야 합니다. "현재 샘플에서 가장 큰 블랙홀은 별의 진화뿐만 아니라 무리 역학에 대해 말해주고 있는 것 같습니다,"라고 안토니니는 말했습니다. "약 45 태양 질량 이상에서 스핀 분포가 변합니다... 이는 이 블랙홀이 이미 밀집된 무리에서 초기 병합을 겪었다면 자연스럽게 설명됩니다."
앞으로 연구자들은 이 데이터가 거대한 별 내부의 핵 물리학을 탐구하는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다. 쌍불안정성 질량 간극은 항성 핵의 반응에 의존하기 때문입니다. "미래에는 중력파 데이터가 과학자들이 핵 물리학을 연구하는 데 도움이 될 수 있습니다,"라고 공동 저자 파니 도소풀루 박사가 말했습니다. 여러 번의 우주적 접촉 사고를 겪은 블랙홀만큼 "핵 물리학"을 말해주는 것은 없으니까요.