[표지로 읽는 과학] 두 블랙홀이 만드는 중력파 정밀 예측

nature 제공

이번주 국제학술지 '네이처' 표지에는 두 블랙홀이 가까워지면서 방출하는 중력파가 그려졌다. 블랙홀이나 중성자별처럼 질량이 매우 큰 천체는 서로 가까이 지나갈 때 중력이 작용하면서 궤도가 변하고 이때 시공간의 파동인 중력파가 발생한다.

얀 플레프카 독일 훔볼트대 물리학연구소 교수팀은 두 블랙홀이 서로 근접해 지나갈 때 방출되는 중력파를 입자물리학 개념을 도입해 정밀하게 묘사하는 데 성공하고 연구결과를 14일(현지시간) 네이처에 공개했다.

중력파는 질량이 매우 큰 물체의 속도가 변할 때 우주에 퍼지는 시공간의 파동이다. 중력파를 정밀하게 모형화하면 블랙홀의 충돌 등 우주 현상에 대한 이해를 심화할 수 있다.

두 블랙홀이 충돌할 때 발생하는 중력파는 지구의 전용 관측소에서 탐지하고 있지만 정확히 시뮬레이션하는 것은 난제다. 연구팀은 독일 베를린 추제연구소의 고성능 컴퓨팅 자원을 활용해 중력파를 시뮬레이션하는 역대 가장 정밀한 모델을 제시했다.

계산 과정에서 칼라비-야우 다양체(Calabi–Yau manifolds)라는 수학적 개념이 활용됐다는 점이 특징이다. 칼라비-야우 다양체는 우주의 모든 물질이 1차원의 끈으로 이뤄졌다는 '초끈 이론'에서 등장하는 6차원 공간이다. 매우 작은 미시세계 입자들 사이의 상호작용 계산에서 사용되는 개념이 거대한 블랙홀 문제에 응용된 것이다.

이번 연구결과는 중력파 데이터 해석 모델을 개선해 중력파를 활용한 천문학 연구와 발견에 기여할 것으로 기대된다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-025-08984-2

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]