PTA.

폴 토머스 앤더슨 감독 얘기가 아니다.

천문학에서 PTA는 펄사 타이밍 어레이(Pulsar Timing Array)다. 여러 펄사를 우주의 정밀시계처럼 이용해 아주 느린 중력파를 찾는 관측 방법이다.

2026년 한 연구는 이 방법을 이용해 특이한 대상을 찾는 방안을 제안했다.

이미 합쳐져 사라진 초대질량 블랙홀 쌍이다.

논문은 이런 대상을 ‘좀비 바이너리(zombie binary)’라고 불렀다.¹

블랙홀 두 개가 다시 살아난다는 뜻은 아니다. 두 블랙홀은 이미 하나로 합쳐졌다. 지금 그 방향을 관측해도 과거처럼 두 블랙홀이 서로 도는 모습은 없다.

남아 있는 것은 합쳐지기 전의 상태가 펄사 쪽 신호에 남긴 흔적이다.

핵심은 그 과거의 흔적을 지금 지구에서 읽을 수 있다는 데 있다.

펄사를 우주의 시계로 쓰다

펄사는 큰 별이 죽은 뒤 남는 초고밀도 천체다.

그중 일부는 매우 빠르게 회전하면서 일정한 간격으로 전파를 보낸다. 특히 회전이 안정적인 밀리초 펄사는 신호가 도착할 시각을 매우 정확하게 예측할 수 있어 우주의 시계처럼 사용할 수 있다.

천문학자들은 이런 펄사를 수년에서 수십 년 동안 관측한다.

예상한 시각과 실제 전파 도착시각 사이에는 아주 작은 차이가 생긴다. 펄사의 회전 변화, 전파가 통과한 우주 공간의 물질, 관측 오차 같은 영향을 분석하고 나면 중력파가 시공간을 흔들면서 만든 미세한 시간차를 찾을 수 있다.

여러 펄사의 신호를 함께 비교해 중력파를 찾는 것이 PTA다. 실제 PTA는 한 대의 장비가 아니라 여러 밀리초 펄사를 장기간 관측하고 그 자료를 결합하는 관측망이다.²

지상의 중력파 검출기는 사람이 만든 장치 안에서 공간의 변화를 측정한다. PTA는 은하수 곳곳에 이미 존재하는 펄사와 지구 사이를 관측에 이용한다.

그래서 PTA는 흔히 은하 크기의 중력파 검출기에 비유된다.

그런데 PTA에는 공간의 크기 못지않게 중요한 특징이 하나 더 있다.

같은 중력파 발생원의 서로 다른 시기를 한 관측망에서 볼 수 있다.

한 블랙홀 쌍의 서로 다른 시대

어떤 초대질량 블랙홀 쌍이 중력파를 보내고 있다고 하자.

그 중력파는 지구 부근을 지날 때 펄스 도착시간에 흔적을 남긴다. 연구자들은 이것을 ‘지구 쪽 신호(Earth term)’라고 부른다.

하지만 우리가 지금 받는 펄스는 방금 펄사에서 출발한 것이 아니다.

펄사가 수천 광년 떨어져 있다면 그 전파 역시 수천 년 동안 우주를 날아왔다.

전파가 펄사를 떠날 무렵 펄사 위치에서의 시공간 상태도 펄스 도착시간에 흔적을 남긴다. 이것이 ‘펄사 쪽 신호(pulsar term)’다.

따라서 지구 쪽 신호와 펄사 쪽 신호는 같은 블랙홀 쌍에서 나온 중력파를 담고 있어도 서로 다른 시기의 블랙홀을 보여준다.

정확한 시간차는 펄사까지의 거리뿐 아니라 하늘에서 펄사와 중력파 발생원이 놓인 방향에도 좌우된다. 은하계의 펄사를 이용하는 PTA에서는 이 차이가 수천 년 규모가 될 수 있다.³

지구 쪽 신호에는 블랙홀 쌍의 비교적 최근 상태가 들어 있고, 펄사 쪽 신호에는 같은 두 블랙홀이 수천 년 전 더 멀리 떨어져 돌던 상태가 들어갈 수 있다.

여러 펄사를 사용하면 같은 블랙홀 쌍의 서로 다른 시기를 여러 지점에서 비교할 수도 있다.

천문학에서 거리는 언제나 시간과 연결돼 있다. 빛과 중력파는 무한히 빠르게 이동하지 않기 때문에 멀리 있는 천체를 본다는 것은 그만큼 오래전 모습을 본다는 뜻이기도 하다. 우리가 보는 태양은 약 8분 전의 태양이고, 수백만 광년 떨어진 은하는 수백만 년 전의 모습이다.

PTA에서는 이 관계가 단순한 관측의 제약으로 끝나지 않는다. 서로 다른 거리에 있는 펄사들이 같은 중력파 발생원의 서로 다른 시기를 기록한다. 따라서 펄사까지의 거리와 방향이 수백 년, 수천 년에 걸친 관측 시간축의 일부가 된다.

우주를 멀리 바라보기 때문에 과거를 보는 것은 천문학의 일상이다. PTA의 특이한 점은 여러 펄사를 이용해 같은 천체의 서로 다른 시기를 하나의 관측망에서 비교할 수 있다는 데 있다.

이 성질 자체는 새로 발견된 것이 아니다.

2012년 키아라 밍가렐리와 동료들은 지구 쪽 신호와 펄사 쪽 신호를 함께 검출하면 초대질량 블랙홀 쌍의 서로 다른 진화단계를 비교할 수 있다고 보였다. 두 신호를 함께 이용하면 블랙홀 쌍의 물리적 특성과 진화에 관한 정보를 더 얻을 수 있다는 연구였다.⁴

문제는 펄사 쪽 신호가 분석하기 어렵다는 점이다.

각 펄사까지의 거리를 충분히 정확하게 알아야 하고, 펄사마다 기록된 시점도 다르다. 유용한 정보인 동시에 계산과 신호 재구성을 어렵게 만드는 요소다.

2026년 연구는 이 오래된 특성을 다른 방향으로 이용했다.

지구 쪽에는 더 이상 예전의 공전 신호가 없는데, 펄사 쪽에는 합병 전 신호가 남아 있는 경우를 찾자는 것이다.

이미 합쳐졌는데 과거에는 아직 둘이다

초대질량 블랙홀 두 개가 서로 돌면 중력파로 에너지를 잃는다.

둘 사이의 거리는 줄어들고 회전은 빨라진다. 결국 두 블랙홀은 하나로 합쳐진다.

이 합병이 PTA 관측을 시작하기 전에 이미 끝났다면 지구 쪽에서는 예전처럼 천천히 공전하던 블랙홀 쌍의 신호를 찾을 수 없다.

두 블랙홀은 이미 하나가 됐다.

그러나 멀리 떨어진 펄사 쪽 신호는 더 과거를 가리킨다.

그 신호가 기록한 시점에는 두 블랙홀이 아직 합쳐지기 전이었을 수 있다.

지구 쪽 기록에서는 이미 하나가 된 블랙홀이, 펄사 쪽 기록에서는 아직 쌍으로 남는다.

이것이 논문에서 말한 ‘좀비 바이너리’다.

2026년 연구의 새로움은 PTA가 과거를 볼 수 있다는 사실에 있지 않다.

이미 합쳐진 블랙홀 쌍도 펄사 쪽에 남은 과거 신호만으로 별도의 탐색 대상이 될 수 있다고 제안한 데 있다.¹

PTA가 찾는 대상의 범위가 넓어지는 셈이다.

현재도 공전 중인 블랙홀 쌍뿐 아니라 관측이 시작되기 전에 이미 합쳐진 블랙홀 쌍까지 검색 대상에 포함할 수 있다.

90%는 발견 확률이 아니다

이번 논문이 좀비 바이너리를 실제로 발견한 것은 아니다.

연구자는 초대질량 블랙홀들이 얼마나 자주 합쳐지는지에 대한 세 가지 모형과 기존·향후 PTA를 단순화한 모의 관측조건을 이용해 이런 신호가 검출 가능한 수준에 얼마나 자주 들어올지를 계산했다.

기존 유럽 PTA와 비슷하게 모형화한 조건에서는 **신호 대 노이즈비(SNR)**가 3을 넘는 좀비 바이너리가 하나 이상 존재할 확률이 3% 이하였다.

향후 국제 PTA 수준으로 모형화한 조건에서는 결과가 사용한 블랙홀 집단 모형에 따라 크게 달랐다. 무거운 블랙홀 쌍을 상대적으로 더 많이 허용하는 두 모형에서는 이 값이 각각 23%와 22%였다.

가장 큰 변화는 차세대 거대 전파망원경 배열인 스퀘어 킬로미터 어레이(Square Kilometre Array) 수준의 모의 관측조건에서 나타났다.

세 가지 블랙홀 집단 모형 모두에서 SNR이 3을 넘는 좀비 바이너리가 하나 이상 존재할 확률이 90%를 넘었다. 평균 개수는 모형에 따라 약 2.3개, 6.1개, 5.7개로 계산됐다.⁵

하지만 이 숫자를 **“스퀘어 킬로미터 어레이가 90% 이상의 확률로 좀비 블랙홀을 발견한다”**고 읽어서는 안 된다.

논문에서 사용한 기준은 실제 발견 판정이 아니라 계산된 신호가 노이즈에 비해 얼마나 강한지를 나타내는 SNR이었다. 일정 기준 이상의 신호가 모형 안에 존재하는 것과 실제 관측자료에서 그 신호를 확실하게 식별하는 것은 다른 문제다.¹

실제 자료에는 펄사 고유의 노이즈와 다른 중력파 신호, 거리 측정 오차 등 여러 요소가 함께 들어간다.

계산에는 블랙홀 궤도에 관한 가정도 있다.

이번 연구는 블랙홀 두 개가 거의 원에 가까운 궤도를 돌고, 궤도 변화가 주로 중력파 방출에 의해 진행되는 경우를 중심으로 계산했다.

실제 초대질량 블랙홀 쌍은 더 복잡할 수 있다. 궤도가 많이 찌그러져 있다면 진화속도와 펄사 쪽에서 관측되는 주파수도 달라진다. 주변의 별과 가스 역시 궤도 진화에 영향을 줄 수 있다. 논문은 이런 효과를 후속 연구과제로 남겼다.⁶

펄사 거리의 불확실성도 현재 계산에는 충분히 반영되지 않았다.

따라서 현재 결과는 미래 관측망에서 좀비 바이너리가 몇 개 발견될 것이라는 예측이 아니다.

현재 PTA에서 관측되는 매우 느린 중력파 신호의 주요 원인이 초대질량 블랙홀 쌍 집단이라면, 미래의 더 정밀한 PTA에서는 이미 끝난 합병의 과거 신호도 검출 가능한 수준에 들어올 수 있다는 계산이다.

펄사의 거리가 관측성능이 된다

이 연구가 실제 탐색으로 이어지려면 중요한 문제가 하나 더 있다.

펄사까지의 거리를 정확하게 알아야 한다.

펄사의 거리는 단순히 천체의 위치를 알려주는 숫자가 아니다.

펄사 쪽 중력파 신호가 블랙홀 쌍의 어느 시점을 기록했는지를 결정하는 요소 가운데 하나다.

거리가 불확실하면 그 펄사에서 예상해야 할 과거 신호의 시점과 주파수 역시 불확실해진다.

이번 연구는 현재의 펄사 거리 오차를 신호 대 노이즈비 계산에 충분히 포함하지 않았기 때문에 결과가 다소 낙관적일 수 있다고 지적한다. 연구자는 앞으로 펄사의 거리를 더 정확하게 측정하면 여러 펄사에 흩어진 좀비 바이너리 신호를 하나의 발생원에서 나온 것으로 재구성하는 데 도움이 될 것이라고 설명한다.⁶

차세대 PTA에서는 관측망의 성능이 펄스 도착시간을 얼마나 정확히 재느냐뿐 아니라 각 펄사가 얼마나 멀리 있는지를 얼마나 정확히 아느냐에도 영향을 받는다. 스퀘어 킬로미터 어레이를 이용한 PTA에서도 정밀한 펄사 거리 측정은 중력파원 연구의 중요한 요소로 다뤄지고 있다.⁷

발견하지 못해도 남는 정보

또 다른 효과도 있다.

이번 연구는 비교적 단순한 블랙홀 궤도모형을 사용했다.

실제 좀비 바이너리를 찾게 되면 펄사 쪽 신호는 두 블랙홀이 합쳐지기 전 수천 년 동안 어떻게 움직였는지를 담는다. 그 신호를 해석하려면 찌그러진 궤도와 블랙홀 주변 환경이 궤도 진화에 미치는 영향까지 고려해야 한다.

2026년 논문도 좀비 바이너리가 실제로 검출된다면 초대질량 블랙홀 쌍의 합병 전 수천 년 동안의 환경과 운동을 연구할 새로운 자료가 될 수 있다고 본다. 동시에 어떤 궤도 진화모형을 사용하느냐에 따라 각 펄사에서 예상하는 신호가 달라진다는 점도 지적한다.⁶

발견하지 못하는 경우에도 정보는 남는다.

아주 무거운 초대질량 블랙홀들이 실제로 얼마나 자주 합쳐지는지는 아직 불확실하다.

논문은 좀비 바이너리 탐색이 이런 블랙홀 합병률 모형의 고질량 영역에 새로운 제한을 줄 수 있다고 제안한다. 다만 그 제한이 실제로 얼마나 강한지는 후속 연구가 필요하다.⁶

정리하면 PTA는 같은 블랙홀 쌍을 서로 다른 시점에 찍은 사진 여러 장을 모아놓은 것과 비슷하다.

지구 쪽 신호가 가장 최근 사진이라면, 각각의 펄사 쪽 신호는 수백 년 또는 수천 년 전에 찍힌 사진에 해당한다. 가장 최근 사진에서는 두 블랙홀이 이미 하나로 합쳐졌더라도 오래된 사진에는 둘이 따로 돌던 모습이 남아 있을 수 있다.

좀비 바이너리 검색은 그 오래된 사진들을 찾아 같은 블랙홀 쌍의 기록으로 맞춰보는 작업이다.

그렇게 PTA의 관측 범위는 지금 존재하는 블랙홀 쌍에서 이미 끝난 합병의 과거까지 넓어진다.

각주

1. Hippolyte Quelquejay Leclere, “Probing past mergers of supermassive black holes with pulsar timing arrays: The role of pulsar terms,” Physical Review D 114, 043063 (2026), published 24 August 2026. DOI: 10.1103/9wq2-gqkh. 논문은 PTA 관측 시작 전에 합쳐진 초대질량 블랙홀 쌍을 ‘zombie binaries’로 정의하고, 현재와 미래 PTA를 단순화한 모형에서 이 신호의 검출 가능성을 계산했다. 실제 좀비 바이너리를 검출한 논문은 아니다. Physical Review D · arXiv

2. International Pulsar Timing Array, “A Global, Galactic-Scale Gravitational Wave Detector.” 국제 PTA는 여러 지역 PTA 협력체의 관측과 자료를 결합한다. Ryan M. Shannon et al., “The SKAO Pulsar Timing Array,” The Open Journal of Astrophysics 8 Supplement 1 (2025), DOI: 10.33232/001c.154243도 PTA를 장기간 관측하는 밀리초 펄사의 집합으로 설명한다. IPTA · The Open Journal of Astrophysics

3. Leclere 2026, Sec. II. 지구 쪽과 펄사 쪽 신호 사이의 기하학적 시간차는 펄사 거리와 중력파원·펄사의 상대 방향에 함께 좌우되며, 은하계 PTA 펄사에서는 수천 년 규모가 될 수 있다. 따라서 단순히 “펄사의 거리만큼 과거”라고 표현하지 않는다. arXiv 원문

4. Chiara M. F. Mingarelli et al., “Observing the Dynamics of Supermassive Black Hole Binaries with Pulsar Timing Arrays,” Physical Review Letters 109, 081104 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.081104. 이 연구는 지구 쪽 신호와 펄사 쪽 신호를 함께 이용해 하나의 초대질량 블랙홀 쌍의 서로 다른 진화단계를 관측할 수 있음을 제시했다. 따라서 PTA가 수천 년의 시간차를 이용한다는 원리 자체를 2026년 연구의 새 발견으로 쓰지 않는다. PubMed · arXiv

5. Leclere 2026, Sec. VI, Fig. 4. 기존 유럽 PTA와 비슷하게 모형화한 조건에서는 SNR>3인 좀비 바이너리가 하나 이상 존재할 확률이 3% 이하였고, 향후 국제 PTA 수준의 조건에서는 두 블랙홀 집단모형에서 각각 23%, 22%였다. 스퀘어 킬로미터 어레이 수준의 조건에서는 세 모형 모두 90% 이상이며 평균 개수는 약 2.3, 6.1, 5.7개로 계산됐다. 이 값들은 실제 관측에서의 확정 발견률이 아니라 저자가 설정한 천체집단·관측 모형에서 나온 계산값이다. arXiv 원문

6. Leclere 2026, Sec. VII. 연구는 원에 가까운 궤도와 중력파가 주도하는 궤도 진화를 기본 가정으로 사용했다. 큰 이심률과 다른 궤도 진화 과정은 예상 신호를 바꿀 수 있다. 또한 펄사 거리의 현재 불확실성을 신호 대 노이즈비 계산에 충분히 포함하지 않아 결과가 낙관적일 수 있으며, 현실적인 PTA 자료에서의 실제 식별 가능성은 후속 연구로 남겼다. 저자는 좀비 바이너리 탐색이 합병 전 수천 년 동안의 초대질량 블랙홀 쌍의 역학과 고질량 영역의 합병률을 연구하는 데 쓰일 가능성도 제시한다. arXiv 원문

7. Ryan M. Shannon et al., “The SKAO Pulsar Timing Array,” The Open Journal of Astrophysics 8 Supplement 1 (2025), DOI: 10.33232/001c.154243. 이 논문은 스퀘어 킬로미터 어레이가 많은 밀리초 펄사를 높은 정밀도로 관측할 수 있으며 정밀한 펄사 거리 측정이 PTA 중력파원 연구에 중요한 정보를 제공한다고 설명한다. The Open Journal of Astrophysics