쌍성블랙홀합병 (Binary Black Hole Merger)

한 줄 정의: 서로를 공전하던 두 블랙홀이 중력파를 방출하며 점차 궤도가 좁아지다가 결국 하나로 합쳐지는 사건으로, 강력한 중력파의 대표적 발생원이다.

쉽게 풀면

두 블랙홀이 서로를 돌다가 점점 가까워져 결국 하나로 합쳐지는 사건으로, 이때 강한 중력파가 나온다.

왜 중요한가

쌍성 블랙홀 병합은 LIGO가 최초로 검출한 중력파의 원천이자 지금까지 검출된 사건의 대부분을 차지합니다. 파형에서 두 블랙홀의 질량과 스핀을 읽어 항성 질량 블랙홀의 질량 분포를 처음으로 통계적으로 알게 되었고, 강한 중력장에서 일반상대성이론을 시험하는 가장 직접적인 수단이 되었습니다. 병합 후 블랙홀의 링다운은 블랙홀이 질량과 스핀만으로 기술된다는 정리를 검증하는 데 쓰입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

Abbott, B. P. et al. (LIGO Scientific Collaboration) (2016), "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger", PRL 116.

GW150914 사건은 각각 태양 질량의 약 29배와 36배인 두 블랙홀이 합병하여 하나의 62태양질량 블랙홀을 형성했으며, 나머지 질량은 중력파 에너지로 방출되었음을 보였다.

중력파 연구는 쌍성블랙홀합병 과정에서 방출되는 중력파 파형이 두 블랙홀의 질량비에 따라 뚜렷이 달라진다고 보고하였다.

두 블랙홀의 질량 차이가 클수록 합쳐질 때 나오는 중력파 신호의 모양도 눈에 띄게 달라진다는 뜻이다.

조금 더 깊게 보면

병합 사건은 대개 전자기파를 내지 않으므로 중성자별 병합과 달리 다중신호 관측이 어렵고, 위치도 하늘의 넓은 영역으로만 정해집니다. 수십 태양질량의 블랙홀이 어떻게 쌍을 이루었는지는 고립 쌍성 진화와 성단 내 동역학적 포획 사이에서 아직 결론이 나지 않았습니다. 관측된 질량 분포의 빈 구간이 초신성 물리에 대한 정보를 담고 있어, 검출 통계 자체가 항성 진화 연구 자료가 됩니다. 합병 직전 나선운동, 합병 순간, 이후의 링다운으로 이어지는 세 단계가 하나의 연속된 파형으로 나타나며, 각 단계는 서로 다른 근사 이론(사후뉴턴, 수치상대론, 섭동이론)으로 계산되어 이어붙여진다.

주의할 점

블랙홀 합병으로 방출되는 에너지는 순간적으로 우주 전체 별빛의 밝기를 능가할 정도로 막대하지만, 전자기파를 동반하지 않는 것이 일반적이다. 관측된 블랙홀 중에는 이론적으로 초신성 잔해로 만들어지기 어려운 질량대에 속하는 사례가 있어, 이전 세대 블랙홀 병합으로 만들어진 계층적 병합 가능성이 논의된다.