중력파의 전 여정 처음으로 추적하다···블랙홀을 통과한 최초 시뮬레이션

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중력파는 우주의 거대한 사건이 남긴 파동이다. 두 블랙홀이 충돌하거나 별이 붕괴할 때, 시공간 자체가 흔들리며 생겨난다. 이 파동은 광속으로 퍼져나가며 지구의 검출기에도 닿는다. 하지만 지금껏 우리는 이 파동이 정확히 어디서 시작되어, 블랙홀과 만나 어떤 상호작용을 거쳐, 어디로 사라지는지를 한눈에 본 적이 없다.

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뉴질랜드 연구진이 이 한계를 뛰어넘었다. 오타고대학교와 캔터베리대학교의 물리학자들은 중력파가 우주의 경계에서 들어와 블랙홀을 통과한 뒤 다시 우주로 나아가는 전 과정을 하나의 시뮬레이션 안에 처음으로 구현했다. 단순히 계산 범위를 확대한 것이 아니라, 중력파의 원인과 결과를 하나의 인과 흐름으로 재현한 것이다.

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우주의 '무한대'를 계산에 포함시키다

일반상대성이론에 따르면 중력파는 이론적으로 과거 무한대(past null infinity)에서 들어와, 미래 무한대(future null infinity)로 빠져나간다. 이 경계는 중력파나 빛이 아무런 방해 없이 도달할 수 있는 우주의 끝이다. 하지만 지금까지의 시뮬레이션은 이 무한한 경계를 포함하지 못했기 때문에, 중력파의 전체 흐름을 계산할 수 없었다.

 

 

 

중력파가 블랙홀을 지나며 어떤 에너지를 잃고, 어떻게 형태가 바뀌는지를 처음부터 끝까지 계산한 최초의 시뮬레이션. 이제 우리는 중력파의 출발과 도착, 그 사이의 인과 구조를 하나의 흐름으로 볼 수 있게 됐다.

 

 

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 시공간을 수학적으로 압축하는 기법을 적용했다. 이 방법은 프리드리히의 일반화된 컨포멀 장 방정식을 바탕으로 한다. 이를 구현하기 위해 연구진은 자체 개발한 시뮬레이션 도구 COFFEE(COnformal Field Equation Evolver, 컨포멀 장 방정식 진화기)를 활용했다. 이 도구는 무한히 먼 공간을 유한한 계산 영역으로 바꾸어, 중력파가 처음부터 끝까지 어떤 과정을 거치는지를 계산할 수 있게 해준다.

 

 

 

이 그래프는 중력파가 블랙홀을 지나면서 에너지와 파형이 어떻게 변하는지를 보여준다. 파란색과 주황색 선은 중력파가 블랙홀에 닿기 전과 후의 에너지 양을 나타내며, 대부분의 에너지가 블랙홀에 흡수된 것을 알 수 있다. 나머지 선들은 중력파의 진동 세기와 구조가 어떻게 바뀌었는지를 나타내며, 블랙홀을 통과한 뒤 파형이 크게 달라졌음을 보여준다. 이 시뮬레이션은 중력파의 전체 흐름을 과거부터 미래까지 처음으로 계산한 결과다.

[사진=Otago Univ./Canterbury Univ./Phys. Rev. Lett.]

 

 

블랙홀은 대부분의 파동을 삼켰다

계산 결과, 진폭이 작은 중력파는 90% 이상이 블랙홀에 흡수됐다. 진폭이 커도 살아남은 비율은 20%에 불과했다. 중력파는 블랙홀을 만나는 순간, 에너지 대부분을 잃는다.

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하지만 단순한 흡수로 끝나지 않았다. 파동은 블랙홀의 시공간 곡률에 반응해 스스로를 뒤틀며 새로운 파형을 만들어냈다. 이 ‘백반응’ 현상은 그동안 이론으로만 제시됐지만, 실제로 전 과정이 수치로 포착된 것은 이번이 처음이다.

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또한 블랙홀을 벗어난 중력파는 감쇠 진동(quasinormal ringing)을 남겼다. 이는 블랙홀 고유의 진동수에 따른 진동으로, 파동의 모양과는 무관하게 나타났다. 이런 진동은 블랙홀의 질량과 회전 정보를 역산하는 데 중요한 실마리가 된다.

중력파의 흐름은 ‘본디 뉴스’와 ‘본디 에너지’라는 물리량을 통해 정량화됐다. 연구진은 이를 통해 블랙홀에 들어오기 전과 나간 이후의 에너지 차이를 정밀하게 계산했고, 에너지 보존 법칙이 이 과정에서도 정확히 성립함을 확인했다.

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이번 연구는 단순히 시뮬레이션 범위를 넓힌 것이 아니다. 중력파가 블랙홀과 어떤 인과적 상호작용을 거쳐, 우주의 어디에서 어떻게 사라지는지를 수치로 추적한 최초의 계산 실험이다. 이제 우리는 단지 중력파가 ‘왔다’는 것만 아는 게 아니라, 그것이 어디서부터 와서 무엇을 지나 어떤 흔적을 남겼는지까지 설명할 수 있는 도구를 갖게 됐다.

중력파는 더 이상 감지되는 신호가 아니라, 우주의 작동 원리를 따라 움직이는 하나의 사건이다. 그리고 우리는 그 전 과정을 수식으로 처음 완성해냈다.

 

 

 

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