Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

우리 우주의 가장 초기 순간, 시작 직후의 찰나의 시간 동안, 공간 그 자체는 코스믹 인플레이션(우주 급팽창)이라 알려진 상상할 수 없는 팽창의 시기를 겪었습니다. 이 급격한 늘어남은 우주를 매끄럽게 만들었으며, 오늘날 우리가 보는 은하에서 별에 이르기까지 모든 것의 씨앗을 심었습니다. 그러나 인플레이션 이론은 특정한 희귀한 조건 하에서 우주가 즉각적으로 블랙홀로 붕괴하는 작고 밀도가 높은 물질 덩어리들을 생성했을 수도 있음을 시사합니다. 이것들은 원시 블랙홀(primordial black holes)이라 불립니다. 죽어가는 별들에 의해 형성되는 블랙홀들과 달리, 이것들은 초기 우주의 가공되지 않은 에너지로부터 태어났을 것입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 물체들이 존재하는지, 그리고 그것들이 은하를 결합시키는 보이지 않는 '암흑 물질'을 구성할 수 있는지 궁금해해 왔습니다. 과제는 현재의 물리 법칙을 깨뜨리지 않으면서도 충분한 양의 이러한 블랙홀을 만들어내는 물리적 메커니즘을 찾는 것이었습니다.

인도의 버드완 대학교 연구진은 만물의 이론의 유력한 후보인 끈 이론(string theory)의 특정 프레임워크를 사용하여 이 문제에 대해 새로운 시각을 제시했습니다. 그들은 우주의 초기 팽창을 주도하는 에너지 장을 설명하는 '인플라톤 포텐셜(inflaton potential)'이라는 수학적 경관에 집중했습니다. 그들의 모델에서, 연구진은 오늘날 우리가 관찰하는 우주의 매끄러운 대규모 구조를 성공적으로 설명하는 버전의 이 장(field)에서 시작했습니다. 이 확립된 모델에, 연구진은 매우 작고 국소적인 교란을 도입했습니다. 마치 매끄러운 언덕의 경사면에 아주 작고 완만한 혹이 갑자기 생긴 것을 상상해 보십시오. 연구진의 언어로, 이 혹은 끈 이론이 정의하는 숨겨진 차원들의 근본적인 기하학적 형태 중 하나를 미세하게 변형함으로써 만들어졌습니다. 이 작은 변화는 단순히 무작위적인 수정이 아니었습니다. 이는 우주의 매끄러운 팽창이 일시적이고 국소적인 감속에 부딪힐 때 우주가 어떻게 행동하는지를 테스트하기 위해 설계되었습니다.

인플레이션을 주도하는 장이 이 혹 위를 굴러갈 때, 그것은 속도가 빨라지거나 완전히 멈추는 것이 아니라, 평소보다 훨씬 더 크게 느려집니다. 연구진은 이를 '초저속 롤(ultra-slow-roll)' 단계라고 부릅니다. 이 짧은 휴지기 동안, 보통은 아주 작고 무해한 우주의 양자 요동은 극적으로 증폭됩니다. 이는 세차게 흐르는 강물이 잠시 멈추면서 작은 물결이 거대한 파도로 성장하게 만드는 것과 같습니다. 그들의 시뮬레이션에서, 이 증폭은 특정 지역의 물질 밀도를 평균보다 훨씬 높은 수준으로 치솟게 했습니다. 우주가 계속 팽창하고 이 밀도가 높은 지역들이 마침내 관측 가능한 지평선 안으로 다시 들어왔을 때, 그 내부의 중력은 너무 강력해져서 즉각적으로 블랙홀로 붕괴했습니다.

연구팀은 이 가상의 블랙홀들의 특성을 매우 정밀하게 계산했습니다. 그들은 이 과정이 지구 또는 목성의 질량과 거의 맞먹는 블랙홀들을 생성한다는 것을 발견했는데, 이는 별들에 의해 형성되는 블랙홀들보다 훨씬 작은 크기입니다. 이 물체들은 천문학적 관점에서 매우 가볍겠지만, 현재까지 생존할 만큼 충분히 무겁습니다. 연구진은 이 블랙홀들이 증발하는 데 걸리는 시간이 현재 우주의 나이보다 훨씬 더 긴, 거의 이해할 수 없을 정도로 긴 시간이 걸릴 것이라고 결정했습니다. 이는 만약 이들이 모델이 제안하는 수치만큼 생성되었다면, 그들이 여전히 존재하며 잠재적으로 우주에 퍼져 있는 암흑 물질에 기여하고 있을 것임을 의미합니다.

그러나 이러한 물체의 존재는 제약이 따릅니다. 연구팀은 실제 관측 결과, 특히 마이크로렌징 조사(microlensing surveys) 데이터를 통해 자신들의 결과를 검증했습니다. 이러한 조사는 지나가는 물체의 중력에 의해 멀리 떨어진 별이 일시적으로 밝아지는 현상을 탐색합니다. 연구진은 자신들의 모델이 하늘에서 보이는 현상과 일치하려면, 원시 요동의 밀도가 특정 임계값 아래로 유지되어야 한다는 것을 발견했습니다. 만약 요동이 조금이라도 더 강했다면, 결과적으로 발생하는 블랙홀의 풍부함이 너무 높아져서, 관측된 마이크로렌징 사건의 부재와 모순되었을 것입니다. 그들의 계산에 따르면, 이러한 블랙홀들이 존재할 수는 있지만, 그것들은 전체 암흑 물질의 유일한 설명이라기보다는 약 0.12퍼센트라는 아주 작은 부분만을 차지할 것입니다.

블랙홀 그 자체를 넘어, 이 연구는 향후 이러한 아이디어들을 테스트할 수 있는 잠재적인 방법을 제시합니다. 이러한 블랙홀을 만드는 격렬한 과정은 또한 중력파라고 알려진 시공간의 물결을 생성할 것입니다. 연구진은 이러한 파동의 특정 주파수가 현재 개발 중인 거대 전파 망원경 프로젝트인 스퀘어 킬로미터 어레이(Square Kilometer Array)의 민감도 범위 내에 있다는 점에 주목했습니다. 이는 이는 미래의 관측이 이러한 중력파를 탐지하여 이 원시 블랙홀들의 존재에 대한 강력한 증거를 제공하거나, 혹은 이 특정한 메커니즘을 완전히 배제할 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 순수 이론의 영역에서 관측 가능한 과학의 영역으로 이 매혹적인 물체들의 탐색을 옮기는 구체적인 경로를 제공합니다.