[뉴스스페이스=김정영 기자] 최근 닐스 보어 연구소와 벨기에 KU 루뱅 대학 연구팀이 중력파 데이터를 분석해 블랙홀에 관한 아인슈타인의 '무모 정리(no-hair theorem)'를 역사상 가장 엄격한 수준으로 확인했다.

sciencedirect, Quantum Zeitgeist, BBC News, arxiv.org, Quanta Magazine, No-hair theorem - Wikipedia, Institute for Advanced Study의 발표와 보도에 따르면, 중력파 관측소에서 검출된 22건의 블랙홀 병합에서 발생한 중력파를 활용해, 블랙홀은 오직 질량과 회전 속도만으로 특징지어지며 그 외 어떠한 ‘머리카락’ 같은 부가적인 특성은 존재하지 않는다는 사실을 다시 한 번 입증한 것이다.

무모 정리는 1960년대 이후 물리학자 존 휠러가 대중화한 개념으로, 블랙홀은 질량, 각운동량, 전하 세 가지 특성만 갖는다고 설명한다.

천체물리학적으로는 전하가 무시될 만큼 작아, 질량과 회전만이 핵심 변수다. 이번 연구는 2023년에 KU 루뱅의 대학원생 사이먼 매노트와 코펜하겐 닐스 보어 연구소 출신 박사후 연구원 그레고리오 카룰로가 공동 개발한 첨단 분석기법을 토대로 진행되었다. 두 연구자는 이론과 실측 데이터를 융합해 중력파 '링다운' 단계 신호를 정밀하게 비교했다.

가장 눈에 띄는 결과는, 사건 지평선에서 40km 이상 떨어진 거리에서는 아인슈타인의 일반상대성이론과의 어떠한 편차도 없다는 점이다. 이는 95% 신뢰 수준에서 검증된 결과이며, 대부분의 경우 40km는 해당 블랙홀 반지름보다 작은 거리여서 기존보다 훨씬 엄격한 상대성이론 제약을 의미한다. 이러한 결과는 ‘긴 머리’ 개념을 내세운 대체 이론들, 즉 블랙홀 외곽에서 중력 법칙이 크게 달라질 것이라는 이론들을 효과적으로 배제한다.

그러나, 이 연구는 손대기 힘든 미시 영역에서의 "양자 머리(quantum hair)" 문제는 여전히 풀지 못했다. 이 양자효과는 블랙홀 사건 지평선 바로 인근, 원자 수준보다 훨씬 작은 플랑크 길이(10^-33cm) 단위 거리에서 존재할 것으로 예측된다.

해당 영역의 미묘한 구조는 현재 중력파 검출기의 한계로 검출이 불가능하며, 이론상으로는 ‘파이어월’이나 ‘퍼지볼’ 같은 복잡한 양자 현상이 작용할 수 있는 것으로 보인다. 이와 관련한 중력파 신호상의 ‘에코’ 현상을 탐색하는 시도도 있었으나, 아직 확증적 증거는 발견되지 않았다.

한편, 중력파 검출기 LIGO, Virgo, KAGRA는 2020년대 계속 가동 예정이며, 2030년경 인도 중력파 관측소가 가세한다. 더욱 향상된 감도를 목표로 하는 미국의 Cosmic Explorer, 유럽의 아인슈타인 망원경(Einstein Telescope) 등 차세대 관측시설이 2030년대에 순차적으로 가동을 시작할 예정으로, 이들 차세대 장비는 중력파 검출 감도를 지금보다 10배 이상 높여 블랙홀 물리 탐사의 지평을 크게 넓힐 것으로 기대된다.

연구에 참여한 카룰로 박사는 “아인슈타인 망원경은 특정 질량대의 우주 모든 블랙홀을 관측할 수 있을 정도의 놀라운 도약”이라며, “현재 수십 킬로미터 단위의 검증 한계를 넘어 축구장 크기 내에서 아인슈타인 이론 위반 여부도 감지 가능할 것”이라고 말했다.

KU 루뱅 대학교의 매노트 교수는 “아인슈타인의 일반상대성이론을 소수점 다섯 자리까지 확인할 수도 있지만, 동시에 예상치 못한 새로운 현상에 마주칠 가능성도 열려있다”고 앞으로의 연구 전망을 설명했다.

이번 연구는 2015년 최초 중력파 관측 이후 급속히 발전한 기술력을 바탕으로 아인슈타인의 일반상대성이론을 실질 우주 환경에서 최정밀 검증한 의미 있는 성과로, 블랙홀과 중력에 관한 근본적 이해를 한층 공고히 했다.

과학계는 앞으로 개선되는 관측 기술로 블랙홀 양자 구조를 탐사해 우주론과 양자중력의 미해결 난제를 풀 실마리를 찾는 데 기대를 걸고 있다.