NSF, 아인슈타인 예측 '중력파' 발견..우주과학 새 획 긋다 (머니투데이 2016.02.12. 00:34)

NSF, 아인슈타인 예측 '중력파' 발견..우주과학 새 획 긋다

LIGO 연구진 주도..과학계 우주 미지의 영역 탐구할 새 도구로 주목

 

100년 전 물리학자 알베르트 아인슈타인(1879∼1955)이 주장했던 '중력파(重力波)' 실체가 거대 과학기술의 진보로 마침내 그 모습을 드러냈다.

중력파는 우주 대폭발(빅뱅)이나 블랙홀, 중성자성 같은 질량이 큰 천체 주변에 형성돼 시공간을 일그러뜨리는 에너지를 뜻한다. 이는 마치 잔잔한 호수에 돌을 던지면 파문이 만들어져 퍼져가는 모습과 같다.

(왼쪽부터)알베르트 아인슈타인, 거대한 블랙홀 2개가 서로 충돌해 새로운 블랙홀로 거듭나는 과정에서 중력파가 생성되는 메커니즘을 미 항공우주국(NASA)이 3차원 영상으로 만들어낸 조감도/사진=NASA

아인슈타인은 자신의 일반상대성이론에서 중력파를 주장했지만, 지금까지 그 실체가 관측된 적은 한 번도 없다.

◇블랙홀 충돌 '그 순간을 잡다'=

미국 국립과학재단(NSF)은 12일(한국시간) 워싱턴DC 내셔널프레스클럽에서 기자회견을 열어 한국과 미국, 독일, 일본 등 15개국 80여개 연구기관 1000여명의 연구진이 참여한 '고급레이저간섭계중력파관측소(LIGO) 과학협력단'이 중력파 검출에 성공했다고 밝혔다.

같은 시각 유럽연합(EU)의 중력파 검출 연구단인 '버고(VIRGO)'도 이탈리아 마체라타에 위치한 버고 관찰소에서 이 같은 내용을 발표했다.

연구진에 따르면 이번에 관측한 중력파는 '쌍성계'를 이루고 있던 두 개의 블랙홀이 충돌해 새로운 블랙홀이 되는 과정에서 생성된 것이다. 블랙홀 각각의 질량은 태양의 36배, 29배이며, 하나로 결합하면 태양보다 62배 무거운 블랙홀이 됐다. 이때 발생한 중력파가 빛의 속도로 지구를 스쳐 지나갔는 데, 이 순간을 LIGO가 놓치지 않고 잡아냈다. 연구팀은 "5시그마(350만 번 중 1번 오류가 날 확률)보다 정밀한 수준의 검출"이었다고 설명했다.

연구진이 사용한 중력파 관측 설비 LIGO는 NSF가 총 2억 9200만 달러(1994~2001년)을 들여 만들었다. 이는 약 4㎞짜리 진공터널 2개를 붙이고 양끝에 거울을 달아 그 사이에 레이저가 오가도록 제작됐다. 중력파가 터널을 지날 경우 거울이 출렁이면서 레이저에 무늬가 생기고 이를 관측해 중력파를 탐지하게 된다.

이에 관해 한국천문연구원(천문연) 관계자는 "100㎞ 떨어진 지점에서 낮게 발생한 파도 진동까지 측정할 정도로 민감한 진동검출기라고 보면 된다"고 설명했다. LIGO가 관측할 수 있는 중력파 범위는 6억 5000만 광년(1광년은 9조5000억㎞)에 달한다. 연구진이 검출한 중력파는 양성자(1000조분의 1m)의 1만분에 1에 해당하는 크기다.

미국 루이지애나주 리빙스턴에 위치한 미국의 중력파 연구소인 '레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)'/사진=LIGO 홈페이지

◇우주를 꿰뚫는 '제3의 눈'=

과학계는 이번 중력파 검출에 크게 환호했다. 중력파는 지금까지 인류가 알 수 없었던 우주 미지의 영역을 탐구할 새로운 도구이기 때문이다.

우주관측은 지금까지 적외선이나 전자기파 등을 통해 이뤄졌다. 만일 중력파를 이용할 수 있다면 블랙홀 생성과 흡수, 중성자별의 충돌 등 인류가 발견하지 못한 천체 생성과 작동원리 등 우주탄생과 관련된 비밀에 더욱 가까이 접근할 수 있다.

천문연 관계자는 "138억 년 전, 빅뱅때 발생한 중력파 흔적을 찾아낸다면 우주 생성 원리를 알아내는 데 훨씬 도움이 될 것"이라고 설명했다.

◇중력파 발견 '멀고먼 길'=

아인슈타인은 일반상대성이론(1915년)을 발표한 다음해 6월, 시공간이 뒤틀리면서 물결과 같은 파장이 발생한다는 논문을 발표했다. 이것이 바로 '중력파'를 주장한 논문이다.

이후 학자들은 1960년대부터 중력파 검출 시도에 뛰어든다. 1969년, 미국 매릴랜드대 조셉 웨버 교수가 자신이 고안한 로장비로 중력파를 처음 검출했다고 주장했지만, 검증결과는 사실이 아니었다.

1974년, 미국 MIT(매사추세츠공대) 조지프 테일러 교수와 러셀 헐스 교수는 두개의 중성자별이 가까워지면서 중력파를 발생한다는 사실을 밝혀 1993년 노벨물리학상을 받았다.

1990년, 킵 손 미국 캘리포니아공대(칼텍) 교수와 로널드 드레버 교수, 미국매사추세츠공대(MIT) 레이너 와이즈 교수는 레이저를 활용한 중력파 검출을 제안해 이목을 모았다.

킵 손과 학자들은 레이저 발생기에서 발사한 레이저가 거울에 반사돼 돌아올 때 중력파와 간섭이 발생하면, 두 개 레이저가 합쳐질 때 패턴에 변화가 생길 것이라고 주장했다. 이것이 바로 LIGO 개발의 모태가 됐다.

이번 중력파 발견으로 킵 손과 로널드 드레버, 레이너 와이즈 교수는 올해 가장 유력한 노벨 물리학상 후보로 지목받고 있다.

 

 

'중력파 검출' 한국 연구진 '고군분투'..연구 지원 '절실'

(연합뉴스  2016.02.12. 00:59)

"각국 '중력파 천문학' 앞다퉈 투자..한국은 관련 지원 '전무'"

 

알베르트 아인슈타인이 100년 전 일반상대성이론에서 제시한 우주 수수께끼 중 지금까지 풀리지 않던 '중력파'(gravitational wave)가 국제협력연구단에 의해 마침내 직접 검출됐다.

사상 최대규모의 고성능 중력파 관측장치인 미국 '라이고'(LIGO : 레이저 간섭 중력파 관측소)를 중심으로 한 라이고과학협력단(LSC)은 11일 (미국동부시간) 워싱턴DC에서 기자회견을 하고 중력파를 직접 검출하는 데 성공했다고 밝혔다.

사상 최대규모의 고성능 중력파 관측장치인 미국 '라이고'(LIGO :레이저간섭 중력파 관측소)가 과측할 수 있는 우주공간 범위. 2000년부터 10년간 건설, 운영된 초기 모델 라이고(Initial LIGO)와 이후 5년간 업그레이드 된 '첨단 라이고'(Advanced LIGO). <<LIGO 홈페이지 캡처>>

라이고는 워싱턴주 핸퍼드와 루이지애나주 리빙스턴에 각각 팔길이 4㎞의 검출기를 갖추고 있다. 업그레이드로 초기 모델보다 성능이 10배가량 향상돼 관측 범위가 우주 전역으로 1천 배 넓어졌다. 거리로 따지면 6억5천만 광년까지 관측할 수 있다. <<LIGO 제공>>

중력파는 큰 질량의 천체가 가속운동을 할 때, 즉 초신성폭발이나 블랙홀 충돌 같은 상황에서 발생하는 시공간의 일렁임(ripples)이다. 아인슈타인이 1916년 일반상대성이론에서 그 존재를 예견했으나 지금까지 직접 검출되지 않았다.

미국 과학재단(NSF)이 단독 투자하는 과학프로젝트로는 규모가 가장 큰 라이고는 2000년부터 10년간 건설과 가동에 6억2천만 달러를 투입하고 세계 80여개 기관 1천여명이 참여하는 대규모 연구에도 중력파 검출에 실패했다.

라이고는 그러나 이후 5년간 2억 달러를 추가로 투자해 성능을 획기적으로 개선, 지난해 9월 재가동을 시작한 뒤 반년도 안돼 중력파를 직접 검출하는 데 성공했다.

중력파 직접 검출은 수십년 전부터 노벨물리학상 수상감으로 꼽혀온 만큼 라이고 연구에 크게 기여한 캘리포니아공대(CalTech) 킵 손 교수와 로널드 드레버 교수, 매사추세츠공대(MIT) 라이너 와이스 교수 등이 벌써부터 노벨상 수상 후보로 거론되고 있다.

한국 연구진도 이 연구에 참여해 중력파 직접 검출에 기여했다.

2009년부터 서울대, 부산대 등 5개 대학, 한국과학기술정보연구원(KISTI) 등 2개 정부출연연구기관 연구자 20여명이 한국중력파연구협력단(KGWG·단장 이형목 서울대 물리천문학부 교수)를 구성해 라이고 연구에 참여하고 있다.

이형목 교수는 "한국 연구진은 라이고 실험 자료를 분석하는 소프트웨어에 일부 기여했다"며 "중력파 검출 데이터에 섞여 있는 잡음·신호 분리 알고리즘 연구와 중력파 검출기를 디자인할 때 어떤 천체가 어떻게 관측될지 예상하고 확률을 제공하는 연구에 참여했다"고 말했다.

또 KISTI는 대용량 데이터 컴퓨팅 인프라와 기술을 제공해 실험 데이터 분석에 기여했고 국가수리과학연구소(NIMS)는 새로운 중력파 처리방법, 검출기의 특성 결정에 필요한 새로운 소프트웨어를 개발 연구 등으로 중력파 검출 효율을 높이는 데 기여했다.

한국 연구진은 그러나 중력파 직접 검출에 기쁨보다 오히려 아쉬움을 표하고 있다.

중력파 직접 검출은 일반상대성이론 최종 검증이라는 의미와 함께 '중력파 천문학'의 시작이라는 중요한 의미가 있지만 한국은 아무 대비가 돼 있지 않아 이 분야 연구에 더욱 뒤처질 우려가 있기 때문이다.

미국 NSF는 라이고에만 8억2천만 달러를 쏟아부었고 영국, 프랑스, 이탈리아, 독일, 일본, 인도, 호주 등도 중력파 검출 연구에 야심 차게 나서고 있다.

프랑스와 이탈리아가 합작한 어드밴스드 비르고(Advanced Virgo)가 재가동에 들어가고 영국과 독일이 합작한 지오 600(GEO 600) 관측소도 가동되고 있다. 일본도 독자적으로 '극저온 레이저 간섭계'인 카그라(KAGRA) 프로젝트를 추진 중이다.

또 유럽우주기구(ESA)는 2034년 중력파 관측탐사선을 쏘아 올릴 예정이며, 인도는 미국 NSF와 함께 '어드밴스드 라이고' 중 하나인 '라이고-인도'를 건설하기로 했다.

세계 각국이 중력파 연구 시설에 구축에 나서는 것은 지금까지 전자기파(빛)로는 보지 못하던 우주를 중력파를 이용해 연구하는 '중력파 천문학'이라는 새로운 학문의 지평이 열리기 때문이다.

그러나 한국은 중력파 연구시설이 전혀 없을 뿐 아니라 중력파 연구에 대한 국가 연구개발 예산 지원도 거의 없어 구경만 해야 할 처지다.

한국중력파연구협력단이 받은 국가 R&D 예산은 2011∼2013년 글로벌 리서치 네트워크(GRN) 사업 예산 3억원이 전부다. 연구자들은 그 전후에는 개인 연구비를 들여 연구에 참여하는 셈이다.

연구단은 지난해 기초과학연구원(IBS)에 0.01∼1헤르츠(㎐)의 중력파를 검출하는 검출기(SOGR)) 건설을 제안했으나 과제선정에서 탈락하기도 했다.

이형목 교수는 "연구과제를 평가할 때 관련 분야의 과거 성과를 요구하는 경우가 많아 국내에서 전혀 하지 않던 새로운 연구를 시작하기가 어렵다"며 "중력파연구협력단도 다른 연구를 하던 사람들이 중력파의 중요성을 인식하고 자발적으로 모임을 만들어 국제연구에 참여하게 된 것"이라고 말했다.

그는 또 "당장 내년, 어쩌면 올해부터 중력파 연구 논문이 쏟아져 나올 것으로 예상된다. 중력파 연구는 응용을 염두에 둔 것이 아니라 말 그대로 인류 지식의 진보를 위한 기초연구"라며 "국내에서도 이런 기초연구에 대한 확대되기를 바란다"고 희망했다.

 

 

아인슈타인 주장 '중력파' 직접 탐지 성공..인류 과학사의 쾌거

(연합뉴스  2016.02.12. 01:50)

중력파관측소 연구진 "0.15초간 블랙홀 충돌로 발견" 공식 발표

 

알베르트 아인슈타인이 1세기 전 주장한 중력파의 존재를 과학자들이 확인했다.

고급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO)는 11일(현지시간) 워싱턴 D.C. 외신기자클럽에서 기자회견을 열어 공간과 시간을 일그러뜨리는 것으로 믿어지는 중력파의 존재를 직접 측정 방식으로 탐지했다고 발표했다.

중력파의 간접 증거가 발견된 적은 있었으나, 직접 검출이 이뤄진 것은 인류 과학역사상 처음이다.

아인슈타인이 1세기 전인 1915년에 이론으로 예측한 바를 관측으로 입증한 이 발견은 우주 탄생을 이해하는데 큰 구멍을 메워 줄 우리 시대의 가장 큰 과학 발견 중 하나로 꼽힐 전망이다.

이 중력파는 태양 질량의 36배(오차 감안한 범위 32∼41배)와 29배(오차 감안한 범위 25∼33배)인 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성이 지구로부터 13억 광년(오차 감안한 범위 7억5천∼19억 광년) 떨어진 곳에서 충돌해 합쳐지는 과정에서 나온 것이다.

이 중력파는 두 블랙홀이 중력파를 내면서 점차 접근해 충돌하기 직전 약 0.15초간 방출됐던 것으로 추정된다.

충돌한 두 블랙홀은 태양 질량의 62배인 하나의 블랙홀로 변했고 이 과정에서 태양의 3배에 해당하는 막대한 질량이 중력파 에너지로 빠져 나가 소멸했다.

관측의 통계적 신뢰도는 5.1 시그마(σ) 이상으로, 잡음에 의해 우연히 이런 가짜 신호가 잡힐 확률은 500만분의 1 이하에 해당한다고 연구자들은 밝혔다.

관측된 중력파의 진동수 범위는 30∼150 헤르츠(Hz)로, 소리로 변환하면 사람이 들을 수 있는 저음이 된다.

최대 진폭은 10의 21거듭제곱분의 1이었다. 이는 1광년의 길이에 머리카락 하나 굵기 정도 수준의 엄청나게 미세한 변화가 생기는 데 해당한다.

라이고 연구진은 레이저를 서로 수직인 두 방향으로 분리시켜 보낸 후 반사된 빛을 다시 합성해 경로 변화를 측정하는 방식으로 시공간의 뒤틀림을 측정했다.

또 약 3천km 떨어진 미국 루이지애나 주 리빙스턴과 워싱턴 주 핸퍼드에서 두 개의 검출기를 동시에 가동해 가짜 신호와 진짜 신호를 구분하고, 미세한 시차를 이용해 파원의 방향을 추정했다.

이번 라이고 팀의 연구는 최초로 중력파를 직접 검출한 사례에 해당할뿐만 아니라, 최초로 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성계의 존재를 확인하고 블랙홀의 충돌과 합병 과정이라는 극적 현상을 기록했다는 점에서도 의미가 있다.

이는 중력파로 인한 시공간의 변화로 1광년의 길이에 머리카락 굵기 정도의 극히 미세한 변화가 생기는 데 해당한다.

라이고 연구팀은 1차 관측을 시작한 작년 9월 12일부터 약 16일간 가동 기간 중에 수집한 데이터로 이를 발견했다.

연구팀이 중력파를 검출한 시간은 작년 9월 14일 미국 동부일광시간(EDT) 오전 5시 51분, 국제표준시로는 오전 9시 51분, 한국시간으로는 9월 14일 오후 6시 51분이었다.

이번 발견은 ▲최초의 중력파 직접 검출 ▲ 최초의 블랙홀 쌍성 관측 ▲ 중력파를 이용한 천체 탐구의 시작 등 역사적 의미를 지닌다고 연구진은 설명했다.

라이고 연구는 1980년대에 라이너 와이스 매사추세츠공과대(MIT) 명예교수, 캘리포니아공과대(캘텍)의 킵 손 명예교수와 로널드 드레버 명예교수에 의해 중력파를 검출하는 수단으로 처음 제안됐다.

이 중 손 교수는 영화 '인터스텔라'의 과학 자문을 맡은 경력도 있다.

이들은 이번 연구가 과학계에서 널리 받아들여지면 올해 가을 발표될 2016년 노벨 물리학상의 유력한 후보가 될 것으로 보인다.

이번 연구 논문은 미국 물리학회에서 발행하는 물리학계의 최고 권위지인 '피지컬 리뷰 레터스'에 실릴 예정이다.

 

[新 우주과학시대]중력파가 열어젖혔다

(아시아경제 2016.02.12. 01:21)

처음으로 중력파 직접 관측 성공..올해 노벨물리학상 '0'순위

 

우주과학의 새로운 역사가 시작된다. 중력파 시대가 활짝 열렸다. 미국 국립과학재단(NSF), 캘리포니아공과대학, 메사추세츠공과대학, 레이저 간섭계 중력파 관측소(라이고, LIGO) 과학자들은 12일 오전 0시30분(우리나라 시간) 미국 워싱턴DC 내셔널 프레스센터에서 기자 회견을 갖고 중력파의 직접 관측에 처음으로 성공했다고 발표했다. 우주과학계는 흥분과 기쁨을 감추지 못했다. 올해 노벨물리학상은 떼어 놓은 당상이라는 평가까지 나온다.

▲라이고는 미국의 두 곳에 설치돼 있다.[사진제공=LIGO]

이번에 검출된 중력파는 블랙홀 두 개가 자전을 하는 하나의 무거운 블랙홀로 합병되는 과정에서 충돌 직전의 채 1초도 못되는 짧은 시간동안 방출된 것이다. 두 블랙홀 간의 충돌은 이제까지 이론적 예측만 있었을 뿐 관측된 적은 한 번도 없었다.

2015년 9월 14일 미국 동부 일광 시간 오전 5시51분(국제 표준시 9시 51분)에 미국 리빙스턴(루이지애나 주 소재)과 핸포드(워싱턴 주 소재)에 위치한 두 곳의 라이고에서 중력파가 검출됐다.

이번 연구 성과는 우주과학에 이정표로 기록될 것으로 보인다. 아인슈타인이 1916년 논문을 통해 공식 발표한 중력파가 100년 만에 실제로 관측된 쾌거라 할 수 있다. 전자기파 등을 통해 관찰해 오던 우주과학에 새로운 시대가 열리는 것이다.

중력파는 우주공간에서 강한 폭발이나 충돌이 일어났을 때 발생하는 잔물결이다. 빛의 속도로 퍼져나간다. 중력파 때문에 시공간이 흔들리고 휘어진다. 시공간의 잔물결 현상이라고도 부른다. 천체가 충돌하는 순간에 강력한 중력파가 나온다. 지금도 우리 몸은 중력파의 영향을 받고 있다. 다만 느끼지 못할 만큼, 관측할 수 없을 정도로 매우 작다.

이강환 국립과천과학관 박사는 "중력파는 그동안 볼 수 없었던 우주 곳곳의 비밀을 벗기는 역할을 하게 될 것"이라며 "세기의 발견이라고 해도 지나친 말은 아니다"라고 이번 연구 성과를 평가했다.

이형목 한국중력파 연구 협력단장(서울대 물리천문학부 교수)은 "일반상대성이론을 보면 질량 주변의 시공간은 중력파 때문에 휘어져 있다"며 "폭발이나 충돌과 같은 급격한 질량의 변화는 시공간을 크게 흔들어 놓을 것이고 이런 흔들림은 파동의 형태로 퍼져 나간다"고 말했다. 이 교수는 이번 중력파 관측 성공에 대해 "이 역사적 발견으로 이제 우리는 우주를 이해하는 새로운 도약을 하게 될 것"이라고 강조했다.

◆중력파의 장단점=

중력파는 물질과 아주 약하게 상호작용한다. 이 때문에 방해받지 않고 아주 먼 거리까지 전파된다. 매우 먼 거리까지 전파된다는 것은 장점이다. 일단 관측만 된다면 새로운 사실을 파악할 수 있는 실마리가 되기 때문이다.

이 장점이 동시에 단점으로 작용한다. 멀리까지 전파되긴 하는데 그만큼 상호작용이 없기 때문에 검출하는 게 쉽지 않다. 지금까지 검출하지 못한 이유 중 하나이다.

우주과학 분야의 주된 연구 수단은 지금까지 전자기파였다. 전자기파는 물질과 상호작용이 뛰어나다. 물질을 통과하는 게 쉽지 않다. 이 때문에 전자기파를 이용해 파악한 천체는 대부분 천체의 표면에 대한 정보였다. 그 속을 볼 수가 없었던 것이다.

21세기 들어 우주과학의 흐름은 초신성, 블랙홀, 빅뱅에 맞춰져 있다. 세 가지 모두 우주 탄생의 비밀을 간직하고 있는 주제들이다. 밀집도가 매우 높다는 것도 특징 중 하나이다. 전자기파를 이용해 이들에 대한 데이터를 수집하는 데는 한계가 있다. 아직까지 블랙홀 내부가 어떻게 구성돼 있는지 파악하지 못한 배경이다.

중력파 시대에는 달라진다. 초신성이 폭발할 때 중력파가 발생한다. 그동안 이에 대한 관측은 불가능했다. 중력파 측정이 가능하게 되면서 상황은 바뀐다. 밝혀내지 못한 우주의 여러 가지 현상을 규명할 수 있다. 빅뱅 순간에도 매우 강력한 폭발이 있었다. 이때 중력파를 측정한다면 초기 우주의 비밀에 까지 손을 뻗을 수 있다.

◆그 동안 연구 과정과 앞으로 계획=

과학은 언제나 발전한다. 어떤 이들은 과학을 가전제품에 비교한다. 지금의 가전제품보다 미래에는 훨씬 뛰어난 제품이 나오기 마련입이다. 과학은 어제의 과학보다 오늘의 과학이, 오늘의 과학보다 미래의 과학이 더 발전된 모습이다.

100년 동안 중력파 연구는 이 같은 과학의 속성을 실천해 왔다. 중력파 검출 노력은 1950년대부터 본격화됐다. 미국 물리학자인 조셉 웨버는 지름 1m, 길이 2m인 알루미늄 원통형 막대를 만들었다. 중력파 측정에 나섰다. 그의 막대는 천체로부터 오는 중력파를 검출하기에는 역부족이었다.

1989년 NSF로부터 승인을 받아 2001년 라이고가 완성된다. 라이고는 한 팔의 길이가 4km인 L자 형태를 갖췄다. 미국 핸포드와 리빙스턴에 각각 1대씩 설치됐다. 핸포드와 리빙스턴은 직선거리로 3000㎞ 떨어져 있다. 빛의 속도를 보면 약 0.01초 차이가 난다. 이 두 곳에서 시차 없이 동시에 관측이 된다면 중력파일 가능성이 높다.

여기에 유럽에는 버고(VIRGO)가 있다. 세 군데서 시차 없이 관측된다면 중력파일 가능성은 거의 확실하다고 보면 된다. 라이고와 버고는 현재 업그레이드 중에 있다. 업그레이드된 시스템이 본격 운용되면 현재보다 감도는 10배 정도 좋아질 것으로 예상된다.

중력파가 관측되면서 앞으로 이 분야에 대한 기술은 획기적으로 발전할 것으로 전망된다. 중력파 검출기 성능 향상을 위해 유럽은 이른바 '아인슈타인 망원경(Einstein Telescope)' 건설을 위한 기본 연구까지 진행했다. 감도가 더 높은 중력파 검출기가 순차적으로 개발된다면 우주 탄생 비밀이 하나씩 벗겨질 날은 머지않아 보인다.

 

블랙홀·초신성·빅뱅의 비밀 풀어질 전망

(연합뉴스2016.02.12. 00:48)

아인슈타인 이론의 마지막 과제, 마침내 실체 입증 우주 관측할 수 있는 새로운 눈 생겨

 

미국 국립과학재단(NSF)을 중심으로 한 과학자들이 12일(현지시간 11일) 중력파 직접 탐지에 성공했다고 발표함에 따라 앞으로 천체물리학과 우주론 등에서 새로운 인식의 지평이 열리게 될 전망이다.

그동안 중력파를 연구해온 과학자들은 이번 발견의 의미를 크게 두 갈래로 부여했다. 하나는 알베르트 아인슈타인이 101년 전 일반상대성이론에서 예측한 중력파의 실체를 직접 확인했다는 점이다.

강궁원 한국과학기술정보연구원(KISTI) 책임연구원은 "맥스웰이 예측한 전자기파를 15년 만에 헤르츠가 실험실에서 검출했듯이 아인슈타인이 예측한 중력파를 이번에 처음으로 직접 검측했다"고 말했다.

중력파는 특히 아인슈타인의 이론 가운데 검증되지 않은 마지막 과제였다.

아인슈타인의 주장 가운데 지구 표면 등 중력이 강한 곳으로 올수록 시간의 흐름이 더뎌진다거나, 중력에 의해 빛이 휜다는 것, 우주가 끊임없이 팽창하고 있다는 것 등은 모두 입증됐지만 그동안 중력파를 직접 검출하는 데는 실패했다.

1993년 미국의 러셀 헐스와 조제프 테일러가 중력파의 증거를 발견한 공로로 노벨물리학상을 수상했지만 간접적인 증거일 뿐이었다. 하지만 이번에 최초로 중력파 직접 검출에 성공했다.

이번 발견의 다른 의미는 중력파 천문학 시대의 개막이다. 요컨대 그동안은 가시광선을 포함한 전자기파를 주로 이용해 우주를 관측해왔지만 앞으로는 중력파를 이용해 각종 우주 현상을 관측할 수 있는 길이 열렸다.

이형목 서울대 물리천문학부 교수는 "앞으로 중력파를 이용해 더 풍부한 연구를 할 수 있는 중력파 천문학이 새롭게 문을 열게 됐다"며 "우주를 관측할 수 있는 새로운 눈이 하나 더 생긴 것"이라고 말했다.

지금까지 우주를 관측하는 도구는 대부분 전자기파를 활용한 것이었다.

이창환 부산대 물리학과 교수는 "그동안 천체를 관측한 것은 주로 가시광선이었고 최근에는 적외선, 자외선, 전파, 엑스선, 감마선 등으로 확대됐다"며 "중성미자도 관측돼서 우주를 보는 방법이 다양하게 늘어났지만 문제는 전자기파의 경우 전자 등과 상호작용을 많이 하기 때문에 다른 물질이 있으면 이를 뚫고 나오지 못한다는 점"이라고 말했다.

전자기파 관측으로 확인할 수 있는 천체 현상에는 한계가 있었던 것이다.

이번에 처음으로 그 존재가 확인된 '블랙홀 쌍성'이 대표적인 예다. 블랙홀 쌍성은 블랙홀 두 개가 서로의 주변을 공전하는 천체인데, 블랙홀은 빛마저 흡수하기 때문에 전자기파 관측으로는 확인할 수 없었다.

그 대신 블랙홀 쌍성은 강력한 중력파를 내보내는데 이번에 이를 포착함으로써 그 실체를 확인했다.

이형목 교수는 "블랙홀이 다른 별과 같이 도는 것은 전자기파 관측을 통해 확인했지만 블랙홀 쌍성이 있다는 것은 이번에 처음으로 확인했다"고 말했다.

중력파는 또 초신성 폭발의 메커니즘 규명에도 기여할 것으로 기대되고 있다. 지금까지 초신성 폭발은 몇 차례 관측됐지만 그 메커니즘은 베일에 싸여 있다. 초신성 내부에서 방출된 전자기파는 다른 물질과 상호작용이 강하기 때문에 지구까지 오는 과정에서 애초의 정보를 잃어버리기 때문이다.

반면 초신성 폭발 때 발생하는 중력파는 상호작용이 약하기 때문에 폭발 당시의 정보를 고스란히 지구까지 전달해줄 수 있다.

이창환 교수는 "초신성 폭발 때 중심부에서 어떤 일이 일어나는지, 블랙홀이 어떤 과정을 거쳐 생성되는지 등을 볼 수 있는 새로운 눈이 열렸다"고 강조했다.

우주의 기원으로 일컬어지는 빅뱅(대폭발)의 비밀도 풀 수 있다. 빅뱅 때 발생한 전자기파는 그동안 다른 물질과의 상호작용으로 많은 정보가 사라졌지만 상대적으로 상호작용이 약한 중력파를 관측하면 상당 부분 확인할 수 있다는 것이다.

강궁원 연구원은 "137억 년 전 빅뱅 때 발생한 중력파가 우주 전체를 떠돌고 있는데 이를 통해 빅뱅의 속을 들여다볼 수 있게 되는 것"이라고 말했다.

물론 이를 위해서는 앞으로 갈 길이 멀다. 중력파 검출 기술의 고도화가 필요하기 때문이다. 그러나 그 첫 걸음은 이번에 뗀 셈이다.

과학계에는 벌써부터 이번 연구에 핵심적인 아이디어를 내놓은 과학자가 노벨물리학상을 수상할 것이란 전망이 파다하다. 그만큼 획기적인 발견이기 때문이다.

한 과학계 인사는 "이번 발견에 크게 기여한 과학자가 당장 올해는 아니더라도 검증 과정을 거치면 머지않아 노벨상을 수상할 것으로 보인다"고 말했다.