GWTC-4 중력파 카탈로그 공개 — 9개월간 128건 검출로 관측 수 2배 이상 급증

우주에서 가장 밀도 높은 천체들이 충돌·병합할 때, 그 격렬함은 시공간을 가로질러 수억 년에서 수십억 년에 걸쳐 퍼지는 파문, 곧 중력파를 만든다. 지구에 도달할 무렵 이 파문은 거의 감지되지 않을 만큼 미약하다. 그럼에도 과학자들은 이를 검출한다. 미국의 NSF LIGO, 이탈리아의 Virgo, 일본의 KAGRA로 이루어진 전 지구적 중력파 관측망 덕분이다.

LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 협력단이 최신 중력파 검출 목록을 공개했다. Astrophysical Journal Letters 특별호에 실릴 이 결과는, 우주가 갖가지 충돌의 메아리로 가득 차 있음을 보여준다.

128건 검출, 카탈로그 규모 2배로

이번에 공개된 GWTC-4(Gravitational-Wave Transient Catalog-4.0)는 2023년 5월부터 2024년 1월까지 진행된 네 번째 관측 가동의 일부를 담는다. 이 9개월 동안 관측망은 128건의 새로운 중력파 '후보'를 검출했다. 신호가 극단적이고 먼 천체 현상에서 비롯됐을 가능성이 높다는 뜻이다.

이번 검출로 중력파 카탈로그 규모는 2배를 넘어섰다. 이전에는 세 차례 관측 가동 전체에서 모은 90건이 전부였다.

참고로 LVK는 네 번째 가동에서 지금까지 약 300건의 병합을 검출했으나, 이 전부가 아직 카탈로그에 반영된 것은 아니다.

MIT 이과대 학장이자 천체물리학 교수인 LVK 회원 너지스 마발발라(Nergis Mavalvala)는 "이 카탈로그로 가능해진 아름다운 과학은 검출기 감도의 상당한 향상과 더 강력한 분석 기법 덕분"이라고 밝혔다. 카디프대 교수이자 LIGO 과학 협력단 대변인 스티븐 페어허스트(Stephen Fairhurst)는 "지난 10년간 중력파 천문학은 첫 검출에서 수백 건의 블랙홀 병합 관측으로 발전했다"고 말했다.

확장되는 '파라미터 공간'

블랙홀은 죽어가는 별의 모든 물질이 한 점으로 붕괴할 때 만들어진다. 블랙홀은 흔히 중력으로 묶인 쌍으로 존재하며, 서로를 향해 나선을 그리다 병합하기 직전 막대한 에너지를 중력파로 방출한다. 2015년 LIGO의 첫 중력파 검출원도 블랙홀 쌍성이었다.

이번 검출은 중력파를 만드는 쌍성의 다양성이 훨씬 넓다는 사실을 드러냈다. 갱신된 카탈로그에는 역대 최대 질량의 블랙홀 쌍성, 질량이 비대칭적으로 치우친 쌍성, 두 블랙홀 모두 예외적으로 빠르게 회전하는 쌍성이 포함됐다. 블랙홀-중성자별 쌍성도 두 건 담겼다.

글래스고대 연구원 대니얼 윌리엄스(Daniel Williams)는 "우리는 '파라미터 공간'이라 부르는 영역의 새로운 부분과, 완전히 새로운 종류의 블랙홀로 확장하고 있다"며 "더 무겁고, 더 빠르게 회전하며, 천체물리학적으로 더 흥미롭고 이례적인 것들을 보고 있다"고 말했다.

이례적 신호 3선

관측소는 L자형 킬로미터급 간섭계로 중력파를 검출한다. LIGO는 검출기 성능 개선으로 중성자별 쌍성 신호를 최대 360메가파섹(약 10억 광년) 거리까지 탐색할 수 있게 됐다.

대부분의 병합 블랙홀이 태양 질량 30배 안팎인 데 비해, GW231123_135430은 각각 약 130배로 훨씬 무겁다. 이는 각 블랙홀이 더 가벼운 '선조' 블랙홀들의 이전 충돌 산물일 수 있음을 시사한다. MIT 대학원생 잭 하인젤(Jack Heinzel)은 "우리 블랙홀 표본의 두드러진 점은 성질의 폭이 넓다는 것"이라며 "어떤 것은 태양 질량의 100배가 넘고, 어떤 것은 몇 배에 불과하다"고 설명했다.

우주적 함의 — 허블 상수와 일반상대론

새 데이터는 개체군 차원의 연결도 만들어냈다. MIT 물리학 부교수 살바토레 비탈레(Salvatore Vitale)는 "우주 역사에서 더 이른 시기에 충돌한 블랙홀이, 나중에 충돌한 것보다 더 큰 회전을 가졌을 가능성이 커졌다"고 말했다.

검출은 아인슈타인의 일반상대론 검증에도 쓰였다. 텍사스대 오스틴 부교수 에런 짐머먼(Aaron Zimmerman)은 관측된 가장 '큰 소리'의 신호 중 하나인 GW230814_230901을 이용해 이론을 시험했다고 밝혔다. 그는 "지금까지 이론은 우리의 모든 시험을 통과하고 있다"면서도 "우주가 주는 모든 데이터를 따라잡으려면 더 정확한 예측이 필요하다"고 덧붙였다.

카탈로그는 우주 팽창 속도라는 난제에도 실마리를 준다. 병합 블랙홀은 신호 분석만으로 지구로부터의 거리를 알 수 있어, 각 병합이 곧 허블 상수의 측정치가 된다. LVK 전체 카탈로그를 분석한 결과, 우주는 메가파섹당 초속 76킬로미터로 팽창한다는 독립적 추정치가 나왔다.

칼텍 LIGO 연구소 박사후연구원 루시 토머스(Lucy Thomas)는 "각각의 새로운 중력파 검출은 10년 전엔 불가능했던 방식으로 우주 퍼즐의 또 다른 조각을 풀게 해준다"고 말했다. 검출기 감도와 분석 기법이 계속 향상되는 만큼, 다음 관측 가동에서 개체군 통계와 우주론 추정의 정밀도는 더 높아질 전망이다.

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