Revising the Spin and Kick Connection in Isolated Binary Black Holes

블랙홀은 거대한 별의 격렬한 붕괴로부터 탄생한 우주에서 가장 극단적인 천체입니다. 수십 년 동안 천문학자들은 블랙홀의 회전(spin)이 어디에서 오는가라는 특정한, 끈질긴 미스터리를 이해하기 위해 노력해 왔습니다. 별이 붕괴할 때, 그것은 마치 피겨 스케이트 선수가 팔을 몸 안으로 끌어당길 때처럼 종종 더 빠르게 회전합니다. 지배적인 이론은 블랙홀이 단순히 그 부모 별로부터 이 회전을 물려받는다는 것이었습니다. 쌍성계의 별들은 대개 서로를 공전하는 방향과 같은 방향으로 회전하기 때문에, 이 이론은 결과물인 블랙홀 또한 궤도와 완벽하게 정렬되어 회전할 것이라고 예측했습니다. 만약 이것이 사실이라면, 천문학자들에게 블랙홀이 어떻게 형성되었는지 알려주는 신뢰할 수 있는 방법을 제공할 것입니다. 별들 사이의 조용한 영역에서 홀로 태어난 블랙홀은 파트너와 함께 깔끔하게 회전할 것이고, 붐비는 성단 속에서 우연히 던져진 블랙홀은 무작위 방향으로 회전할 것입니다.

하지만 최근 중력파 검출기들의 관측 결과는 이 깔끔한 그림을 혼란에 빠뜨렸습니다. 과학자들은 블랙홀의 회전축이 궤도에 대해 크게 기울어져 있거나, 심지어 궤도에 대해 역방향으로 회전하는 블랙홀 병합 현상을 감지했습니다. 이러한 "정렬되지 않은" 회전은 전통적으로 블랙홀들이 함께 태어난 것이 아니라 붐비는 환경에서 역동적으로 조립되었다는 증거로 간주되어 왔습니다. 그러나 새로운 연구는 이 가설에 이의를 제기하며, 블랙홀의 회전 이야기가 단순한 상속보다 훨씬 더 복잡할 수 있음을 시사합니다. 연구진은 블랙홀의 격렬한 탄생 과정이 회전 방향을 뒤섞어, 고립된 상태에서 형성된 쌍성계조차도 정렬되지 않은 상태를 만들 수 있다고 제proposed 합니다.

비샬 바이바브(Vishal Baibhav)와 비키 칼로게라(Vicky Kalogera)가 이끄는 연구팀은 블랙홀이 회전을 얻는 네 가지 서로 다른 방법을 탐구함으로써 이 아이디어를 테스트하고자 했습니다. 첫 번째는 전통적인 관점으로, 회전이 부모 별로부터 직접 상속되어 궤도와 정렬을 유지하는 것입니다. 나머지 세 가지는 더 혼돈스러운 가능성들입니다. 한 시나리오에서는 회전이 죽어가는 별 내부의 난류 과정에 의해 무작위로 생성되어 어떤 방향으로든 동일한 확률로 향합니다. 두 번째는 블랙홀이 태어날 때 받는 "킥(kick)"—불균형한 폭발로 인한 갑작스러운 충격—과 회전 방향이 일치하는 경우입니다. 세 번째는 그 킥에 수직인 방향으로 회전하는 경우입니다. 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 서로 다른 회전 방향이 블랙홀이 형성되고 서로의 궤도를 돌기 시작한 후에 어떻게 나타나는지 모델링했으며, 특히 '핵 붕괴'라고 알려진 격렬한 탄생 사건이 쌍성의 궤도 자체를 어떻게 기울이는지를 중점적으로 살펴보았습니다.

그들의 시뮬레이션은 '고립된 쌍성은 반드시 정렬된 회전을 가져야 한다'는 기존의 가정이 반드시 사실은 아니라는 점을 밝혀냈습니다. 연구진은 만약 블랙홀의 회전이 탄생 시의 킥 방향과 연결되어 있거나 무작위로 생성된다면, 결과적인 시스템이 큰 불일치를 보이거나 심지어 역행 회전(궤도에 대해 역방향으로 회전)을 보일 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 블랙홀을 밀어내는 킥이 쌍성의 전체 궤도를 기울뜨리기 때문에 발생합니다. 킥의 강도와 회전의 방향에 따라, 최종 결과는 마치 붐비는 성단에서 우연히 모여진 시스템처럼 보일 수 있으며, 이는 해당 시스템이 고립된 상태에서 조용히 형성되었음에도 불구하고 그러합니다.

이 발견은 충돌하는 블랙홀의 신호를 해석하는 방식에 심오한 영향을 미칩니다. 이 연구는 기울어진 회전이나 역행 회전의 존재가 그 자체로 시스템이 역동적으로 조립되었다는 증거는 아니라고 제안합니다. 쌍성계가 조용한 영역에서 형성되었더라도, 그 탄생의 물리학이 이러한 대안적인 메커니-니즘을 포함했다면 혼돈스러운 회전 방향을 가질 수 있습니다. 연구진은 모델을 LIGO-Virgo-KAGRA 협력단이 감지한 257개의 블랙홀 병합 데이터에 대조해 보았습니다. 그들은 일부 사건들이 전통적인 정렬 모델을 강력하게 지지하는 반면, 다른 사건들은 이러한 대안적인 회전 생성 이론들에 의해 더 잘 설명된다는 것을 발견했습니다. 특히 중성자별과 블랙홀이 포함된 것으로 보이는 한 사건은 기존 이론으로는 설명하기 매우 어렵지만 새로운 모델에는 자연스럽게 부합하는 역행 회전을 보여주었습니다.

이 논문은 블랙홀 회전의 미스터리를 해결했거나, 고립된 쌍성이 모든 정렬되지 않은 시스템의 원천임을 증명하는 것은 아닙니다. 대신, 고립된 쌍성이 행동할 수 있는 가능성의 범위가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 넓다는 것을 보여줍니다. 회전이 반드시 상속되어야 한다는 가정을 완화함으로써, 저자들은 쌍성의 기원을 알려주는 "지문"이 흐릿해진다는 점을 보여줍니다. 천문학자들이 필드(field) 쌍성과 클러스터(cluster) 쌍성을 구분하기 위해 희망했던 뚜렷한 징후들은 예전만큼 명확하지 않습니다. 연구는 블랙홀의 탄생 과정에 담긴 격렬한 물리학이 파트너와의 춤의 규칙을 다시 쓸 수 있다는 가능성을 염두에 두어야 하며, 진정으로 이 거대한 우주의 거인들이 어디에서 왔는지 이해하기 위해서는 각 사건을 개별적으로 판단하기보다 전체적인 인구 집단을 살펴봐야 한다고 결론짓습니다.