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우주에서 역대 최대 규모의 블랙홀 충돌이 관측됐다. 그레고리오 카룰로 영국 버밍엄대 교수 연구팀은 미국과 유럽, 일본의 대표적인 중력파 검출기의 이름을 딴 공동연구 협력체인 '라이고-비르고-카그라(LIGO-Virgo-KAGRA, LVK) 협력단'이 중력파 관측 사상 가장 거대 질량 블랙홀의 합병을 관측했다고 13일(현지 시간) 발표했다. 
연구결과는 18일까지 영국 스코틀랜드 글래스고에서 열리는 '제24회 일반 상대성 이론 및 중력 국제 학술대회(GR24)'와 '제16회 에도아르도 아말디 중력 정기예금이자계산법 파 학술대회'에서 발표될 예정이다. 연구에 사용된 보정 데이터는 추후 중력파 오픈 과학 센터(GWOSC)를 통해 공개된다. 
LVK는 중력파를 탐지하고 분석하기 위해 협력하는 세계적인 국제 공동 연구 협력체로 미국의 레이저간섭계 중력파관측소 라이고(LIGO)와 유럽의 중력파검출기 비르고(Virgo), 일본의 중력파검출기 카그라(KARGA) 출납장 에 참여하는 연구자들로 구성됐다.
이번에 관측된 블랙홀 충돌은 2023년 11월 23일 미국 워싱턴과 루이지애나에 있는 LIGO에서 동시에 관측됐다. 두 블랙홀이 충돌하면서 시공간이 아주 살짝 흔들리며 발생한 미세한 중력파가 지구로 도달한 것이다. 연구팀은 "두 블랙홀이 충돌 후 하나의 블랙홀로 완전히 병합되기 전에 중력파가 발생하는 '링 콜금리 다운(ringdown)' 현상을 포착했다"고 설명했다. 
이번 블랙홀 충돌은 지구로부터 약 100억 광년(1광년은 빛의 속도로 1년 이동한 거리) 떨어진 곳에서 발생했다. 충돌한 블랙홀은 각각 태양 질량의 137배, 103배로 지구보다 40만 배 빠르게 회전하고 있었다. 이들은 오랜 시간 서로를 향해 회전하다가 마침내 충돌했고 이를 통해 해외진출 태양의 265배에 달하는 블랙홀이 만들어졌다. 
이번 블랙홀 충돌로 인한 중력파 탐지는 지금까지 기록된 것 중 가장 거대한 블랙홀 간의 합병이다. 지금까지 관측된 블랙홀 충돌로 인한 중력파는 대부분 태양 질량의 30~80배의 블랙홀 병합이었다. 이번에는 태양 질량의 100배가 넘는 블랙홀 2개가 충돌했고, 이후 태양 질량의 265배가 되는 정부지원 초거대 블랙홀이 만들어졌다. 
보통 태양 질량의 100배가 넘으면 블랙홀이 되기 전 별이 폭발한다. LVK 협력단의 일원인 마크 해넘 카디프대 교수는 "이런 현상은 이전에도 본 적이 있지만, 이번이 가장 극단적인 예"라고 말했다. 찰리 호이 포츠머스대 교수는 "이번 블랙홀은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 허용하는 한계에 가까운 매우 빠른 속도"라며 "우리의 이론적 도구 개발을 촉진하는 유용한 사례가 될 것"이라고 말했다.  
물리학자들은 이번에 합병된 블랙홀들이 이전에 다른 블랙홀들이 여럿 합쳐진 산물일 가능성이 크다고 봤다. 질량이 크고 빠르게 회전하는 블랙홀이 만들어질 수 있는 조건이 만들어졌다는 설명이다. 그레고리오 카를로 버밍엄대 교수는 "이 복잡한 신호 패턴과 의미를 완전히 밝혀내려면 수년은 걸릴 것"이라며 "앞으로 흥미진진한 시대가 펼쳐질 것"이라고 했다. 
[정지영 기자 jjy2011@donga.com]