블랙홀 충돌의 여파를 보여주는 시뮬레이션

May 11, 2023

두 개의 블랙홀에 대한 새로운 시뮬레이션빛의 속도에 가까운 충돌은 한 천체 물리학자가 "우주에서 상상할 수 있는 가장 폭력적인 사건 중 하나"라고 부르는 신비한 물리학을 드러냅니다.

시뮬레이션을 제작한 존스 홉킨스 대학의 박사후 연구원인 토마스 헬퍼(Thomas Helfer)는 "광속에 매우 가까운 속도로 두 개의 블랙홀을 정면으로 폭발시키는 것은 다소 미친 일입니다."라고 말했습니다. "충돌과 관련된 중력파는 예상치 못한 것처럼 보일 수 있지만 이것은 우주에서 상상할 수 있는 가장 폭력적인 사건 중 하나입니다."

Physical Review Letters에 게재된 이 작업은 그러한 격변적인 충돌의 여파에 대한 최초의 상세한 관찰이며, 잔존 블랙홀이 어떻게 형성되어 우주를 통해 중력파를 보내는지를 보여줍니다.

블랙홀 합병은 대규모 우주 충돌로 생성된 에너지를 운반하는 감지 가능한 중력파를 생성할 만큼 에너지가 넘치는 우주에서 몇 안 되는 사건 중 하나입니다. 연못의 잔물결처럼 이 파동은 공간과 시간을 왜곡하면서 우주를 흐릅니다. 그러나 물을 통해 이동하는 파동과 달리 이 파동은 극히 작으며 공간의 3차원과 시간 개념을 결합한 놀라운 개념인 "시공간"을 통해 전파됩니다.

"만약 중력파가 나를 통과하면 나는 조금 더 마르고 조금 더 커지며, 그 다음에는 조금 더 작아지고 조금 더 뚱뚱해집니다."라고 존스 홉킨스 물리학자이자 공동 저자인 Emanuele Berti는 말했습니다. "그러나 그 양은 원자핵 크기보다 약 100,000배 더 작습니다."

물리학자들은 미묘하지만 중요한 병합의 중력 효과를 무시하는 방정식을 사용하여 일반 상대성 이론(아인슈타인의 중력 작동 원리)을 단순화함으로써 블랙홀 병합 후에 방출되는 파동을 연구했습니다. Berti는 이러한 접근 방식이 합병 중에 생성되는 중력파가 약하다는 가정인 "선형 근사치"에 의존하기 때문에 편향되어 있다고 생각합니다.

블랙홀이 이렇게 극단적인 속도로 충돌하는 것은 거의 불가능하지만, 이러한 충돌을 시뮬레이션하면 팀이 단순화된 이론 버전에서는 찾을 수 없는 비선형성이나 중력 효과를 감지할 수 있을 만큼 강력한 신호가 생성됩니다. 연구 결과에 따르면 블랙홀 합병은 선형 방정식으로 연구할 수 없으며 이러한 사건의 현재 모델을 완전히 변경하지는 않더라도 조정해야 한다는 점을 시사합니다.

연구를 주도한 존스홉킨스대 물리학 박사과정 학생인 마크 호역 청(Mark Ho-Yeuk Cheung)은 “일반상대성이론은 비선형적입니다. 이는 중력파 자체가 더 많은 중력파를 생성한다는 것을 의미합니다.”라고 말했습니다.

연구팀은 또한 두 개의 블랙홀이 서로 공전한 후 합쳐지는 시뮬레이션을 분석하여 이러한 소위 비선형성을 발견했습니다. 이는 우주에서 일어나는 일을 보다 현실적으로 나타내는 시나리오입니다. Caltech의 독립적인 연구원 그룹이 실시한 동일한 시뮬레이션에 대한 연구도 오늘날의 Physical Review Letters에 나타나 있으며 유사한 결과를 발견했습니다.

"우리가 정말로 블랙홀을 이해하고 싶다면 합병증을 잊을 수 없기 때문에 이것은 일종의 큰 문제입니다."라고 Cheung은 말했습니다. "아인슈타인의 이론은 짐승입니다. 방정식은 정말 복잡합니다."

저자로는 Northwestern University의 Vishal Baibhav; Niels Bohr Institute 및 리스본 대학교의 Vitor Cardoso; 프리드리히 쉴러 대학교 예나(Friedrich Schiller University Jena)의 Gregorio Carullo; 존스홉킨스의 로베르토 코테스타(Roberto Cotesta); 피사 대학교의 Walter Del Pozzo; 리스본 대학교의 Francisco Duque; 펜실베이니아 주립대학교의 Estuti Shukla; Flatiron Institute의 Kaze Wong도 있습니다. Baibhav와 Wong은 전 Johns Hopkins 학생이었습니다.

이 연구는 Croucher Foundation, NSF 보조금 번호 AST-2006538, PHY-2207502, PHY-090003 및 PHY-20043, NASA 보조금 번호 19-ATP19-0051, 20-LPS20-0011 및 21-ATP21-의 지원을 받았습니다. 0010. 이 작업은 메릴랜드 고급 연구 컴퓨팅 센터와 텍사스 고급 컴퓨팅 센터의 컴퓨팅 리소스를 사용하여 제작되었습니다.