"블랙홀도, 중성자별도 아니다"…국내 연구진, '제3의 초고밀도 천체' 가능성 제시[과학을읽다]

새 중력 이론으로 블랙홀·중성자별 경계 허물어
"암흑물질·중력파 난제 설명 단서 될 수도"

국내 연구진이 기존 아인슈타인 일반상대성이론을 넘어서는 새로운 중력 이론을 통해 블랙홀과 중성자별 사이의 경계가 사라질 수 있다는 연구 결과를 내놨다. 기존 이론으로 설명하기 어려웠던 초고밀도 천체와 암흑물질의 정체를 이해할 새로운 가능성을 제시했다는 평가다.

국가수리과학연구소와 한국천문연구원 공동연구진은 '호자바-리프시츠(HL) 중력 이론'을 적용한 분석을 통해 블랙홀과 중성자별 사이에 새로운 형태의 초고밀도 천체가 존재할 가능성을 확인했다고 15일 밝혔다.

기사의 이해를 돕기 위한 자료 사진. 블랙홀은 주변의 먼지와 가스, 심지어 별 전체를 집어삼킨다. NASA 제공

연구 결과는 국제학술지 피직스 레터스(Physics Letters) B와 피지컬 리뷰(Physical Review) D에 각각 지난 3월 2일 온라인 게재됐다.

현재 물리학의 표준 이론인 일반상대성이론은 블랙홀 내부나 우주 초기처럼 에너지가 극도로 높은 환경에서는 설명에 한계가 있다는 지적을 받아왔다. 연구진은 이를 보완하기 위해 시간과 공간이 서로 다르게 변할 수 있다고 가정하는 HL 중력 이론을 활용했다.

"블랙홀 직전 단계 천체 존재 가능성"

연구 결과 HL 중력 환경에서는 중성자별 같은 초고밀도 천체가 기존 이론보다 훨씬 더 무거워질 수 있는 것으로 나타났다. 특히 천체의 질량 대비 반경 비율인 '밀집도(compactness)'가 극단적으로 증가하면서, 기존 천문학에서 블랙홀과 중성자별 사이에 존재한다고 여겨졌던 '밀집도 간극(compactness gap)'이 사라질 가능성도 확인됐다.

이는 최근 국제 중력파 관측 프로젝트인 LIGO-Virgo-KAGRA에서 발견된 "블랙홀인지 중성자별인지 구분하기 어려운 천체"를 설명할 수 있는 단서가 될 수 있다는 설명이다.

연구진은 기존 일반상대성이론으로는 설명하기 어려웠던 이러한 천체가 HL 중력 이론이 예측하는 새로운 초고밀도 천체일 가능성을 제시했다.

암흑물질 후보 가능성도 제기

연구진은 이론적으로 매우 작은 크기의 초고밀도 천체가 암흑물질 후보가 될 가능성도 제시했다.

특정 입자들이 HL 중력 영향을 받아 매우 작지만 강한 중력을 가진 천체를 형성할 수 있으며, 이들이 우주 질량의 상당 부분을 차지하는 '차가운 암흑물질'일 수 있다는 것이다.

논문 1. 국가수리연구소 제공

다만 연구진은 아직은 이론적 연구 단계이며 실제 우주에서 존재하는지는 추가 관측과 검증이 필요하다고 설명했다.

손재주 박사는 "이번 연구는 HL 중력 이론에서 중성자별 질량 한계를 처음 제시하고, 지금까지 관측된 중성자별보다 더 밀도가 높은 새로운 초고밀도 천체 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

오정근 박사는 "블랙홀과 중성자별 사이에도 새로운 형태의 천체가 존재할 가능성을 보여준 연구"라며 "향후 중력파 관측과 펄서 타이밍 관측이 HL 중력 이론을 검증하는 중요한 단서가 될 수 있다"고 밝혔다.

연구진은 이번 성과가 초고밀도 천체 연구뿐 아니라 중력파 천문학, 우주론, 암흑물질 연구 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr