펄서 타이밍 배열 신호, 암흑별의 흔적일까?

소한 고드라와 코스민 일리의 연구는 펄서 타이밍 배열(PTA)이 포착한 나노헤르츠 주파수대 중력파 배경을 초기 우주의 초대질량 블랙홀 씨앗 형성과 연결했다. PTA는 빠르게 회전하는 중성자별인 펄서의 신호가 도착하는 미세한 시간 변화를 여러 펄서에 걸쳐 비교하는 관측 방법이다. 현재 이 신호의 가장 유력한 천체물리학적 원인으로는 서로 공전하며 합쳐지는 초대질량 블랙홀 쌍이 거론된다.

연구진은 초기 우주에서 만들어진 씨앗 블랙홀이 은하와 암흑물질 헤일로의 성장, 병합을 거쳐 오늘날의 거대 블랙홀 쌍으로 이어지는 과정을 계산했다. 이후 총질량이 약 10^9 태양질량 이상인 블랙홀 쌍들이 방출하는 중력파를 모두 합산하면 PTA가 측정하는 확률적 배경이 형성될 수 있다는 접근이다.

암흑별은 어떻게 연결되나

암흑별(Dark Star)은 일반적인 별처럼 핵융합만으로 빛나는 천체가 아니다. 초기 우주의 미니헤일로 중심에서 수소와 헬륨이 모이고, 암흑물질 입자의 소멸 과정에서 나온 에너지가 주요 동력으로 작용하는 팽창된 천체로 이론화돼 있다. 암흑물질 공급과 가스 유입이 계속된다면 암흑별은 약 100만 태양질량, 또는 그 이상까지 성장할 수 있다.

암흑물질 연료가 고갈되거나, 병합으로 헤일로 중심에서 밀려나거나, 일반상대론적 불안정성이 발생하면 이처럼 거대한 암흑별은 붕괴해 무거운 블랙홀 씨앗을 남길 수 있다. 이 씨앗들이 이후 가스 유입과 은하 병합을 거치면 PTA 주파수대의 중력파를 방출하는 초대질량 블랙홀 쌍의 기원이 될 수 있다는 것이 연구의 핵심 연결고리다.

다만 PTA가 암흑별 자체를 직접 검출했다는 뜻은 아니다. 연구가 묻는 질문은 관측된 중력파 배경이 암흑별 붕괴 잔해가 남겼을 법한 블랙홀 씨앗의 수와 성장 역사로 설명될 수 있느냐는 것이다.

암흑별과 직접붕괴 블랙홀의 차이

연구진의 모형에서는 암흑별 잔해의 공이동 씨앗 밀도가 약 10^-3 Mpc^-3이면 PTA 중력파 배경에 상당한 기여를 할 수 있으며, 조건에 따라 지배적인 기여도 가능했다. 특히 100만 태양질량을 넘어서는 초대질량 암흑별이 충분히 많이 형성되고 효율적으로 붕괴한다면, 이후 더 많은 무거운 블랙홀 씨앗과 더 강한 블랙홀 쌍 병합 배경을 공급할 수 있다.

비교 대상인 직접붕괴 블랙홀(DCBH)은 금속이 거의 없는 가스가 별 단계를 거치지 않고 직접 붕괴해 만들어지는 씨앗이다. 이 경로는 분자수소 냉각을 억제하는 강한 라이먼-베르너 복사를 내는 인근의 효율적인 별 형성 동반 은하와, 원시 가스를 보유한 희귀한 원자냉각 헤일로를 동시에 요구한다. 따라서 형성 조건이 까다롭다.

분석에 사용된 기준 모형에서 DCBH 씨앗 밀도는 약 10^-7~10^-6 Mpc^-3로 추정됐고, 그 결과 PTA 배경에 대한 기여는 주변적이거나 암흑별 경로보다 작았다. 반면 암흑별 형성은 충분히 고립된 헤일로가 주된 조건으로 모델링돼 더 많은 씨앗을 만들 가능성이 있었다.

이 비교가 의미하는 바는 암흑별 경로가 항상 우월하다는 것이 아니다. 100만 태양질량을 크게 웃도는 암흑별이 실제로 형성되고, 붕괴와 후속 블랙홀 성장이 효율적으로 일어난다는 조건에서만 해당 경로가 기준 DCBH 모형보다 큰 중력파 기여를 할 수 있다는 뜻이다. 아직 암흑별이 관측됐다는 증거는 아니다.

PTA 관측이 제시한 씨앗의 상한선

이 분석은 암흑별 시나리오에 유리한 숫자만 제시하지 않는다. 초기 무거운 블랙홀 씨앗의 공이동 밀도가 약 10^-2~10^-1 Mpc^-3에 이르면, 연구진의 계산에서는 현재 관측된 확률적 중력파 배경보다 지나치게 큰 신호를 예측하게 된다. 따라서 PTA 자료는 이 범위보다 낮은 수준에서 초기 씨앗의 수에 상한을 부과하며, 암흑별을 품을 수 있었던 고적색편이 헤일로의 수도 함께 제한한다.

물론 이 상한선은 하나의 고정된 숫자가 아니다. 씨앗이 만들어지는 방식, 물질의 강착 속도, 헤일로 병합 역사, 블랙홀 쌍의 궤도 진화와 병합 효율, 그리고 PTA 신호가 주로 초대질량 블랙홀 쌍에서 비롯된다는 가정에 따라 결과가 달라진다. 연구진도 이를 특정 형성 경로를 확정하는 판정이 아니라 씨앗 개체 수를 제약하는 방법으로 제시했다.

암흑별을 시험하는 새로운 방법

이번 접근은 우주 새벽을 살피는 관측 수단을 넓힌다. 제임스 웹 우주망원경(JWST) 같은 전자기파 관측 장비가 암흑별이나 초기 초대질량 천체의 직접적인 흔적을 찾는다면, PTA는 수십억 년 뒤 그 씨앗들이 남긴 블랙홀 병합의 집단적 결과를 조사한다. 직접 검출과 후대의 중력파 신호를 함께 비교하면 암흑별 가설을 간접적으로 시험할 수 있다.

더 넓게 보면 PTA 중력파 배경의 진폭은 최초의 거대 블랙홀이 희귀한 직접붕괴 사건에서 주로 생겼는지, 더 흔한 암흑별 잔해에서 생겼는지, 또는 다른 씨앗 경로가 작동했는지를 가려내는 단서가 될 수 있다. 이는 우주 초기부터 예상보다 빠르게 성장한 초대질량 블랙홀과 퀘이사가 어떻게 등장했는지를 이해하는 데도 도움이 된다.