블랙홀은 반복적으로 충돌한다: '계층적 병합'을 통한 블랙홀 진화의 증거 발견

• 블랙홀은 초신성 폭발 이후 생성된 후 다시 충돌하여 더 거대한 블랙홀을 만드는 '계층적 병합' 과정을 거칠 수 있음.
• 과학자들은 중력파 데이터를 분석하여 블랙홀의 회전 속도를 통해 이들이 최초 생성된 것인지 아니면 재병합된 것인지 추적함.
• 연구 결과 병합되는 블랙홀의 약 14%는 최소 두 번 이상 충돌한 2세대 블랙홀일 가능성이 제기됨.

블랙홀의 재병합 과정

• 블랙홀 병합은 우주에서 매우 에너지가 큰 사건으로 중력파를 방출함.
• 밀집된 별 무리(성단 등)에서는 별과 블랙홀이 밀접하게 존재하여 반복적인 병합이 발생할 가능성이 높음.

회전 속도를 통한 식별

• 초신성 폭발로 처음 생성된 블랙홀은 질량과 회전력을 상실하여 회전 속도가 거의 없음.
• 반면 두 블랙홀이 합쳐져 만들어진 2세대 블랙홀은 최대 회전 속도의 약 70%에 달하는 빠른 회전을 보임.
• 관측 시 한쪽 블랙홀의 회전 속도가 현저히 높다면 해당 블랙홀이 재병합의 산물임을 나타내는 지표가 됨.

관측 데이터 및 시사점

• LIGO-Virgo-KAGRA의 GWTC-4.0 데이터를 분석한 결과, 궤도 요동(wobbling)을 통해 1세대와 2세대 블랙홀 간의 병합 징후를 포착함.
• 특히 20~40 태양 질량 이상의 블랙홀들은 2세대일 가능성이 크며, 이는 기존의 초신성 폭발 이론만으로는 설명하기 어려운 고질량 블랙홀의 기원을 이해하는 단서가 됨.
• 45 태양 질량 이상의 블랙홀은 일반적인 초신성 이론으로는 생성이 불가능하지만, 계층적 병합을 통해 형성될 수 있음.