[수완뉴스=여주]박윤찬 학생기자, 지난 12일, 아인슈타인의 중력파 이론을 실제로 탐지하는데 성공하였다는 소식이 전해져 큰 화제가 되었다.

이번 중력파 탐지에 큰 공헌을 한 라이고(LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory,약칭 LIGO)는 미국 캘리포니아 공과대학교 ‘레이저 간섭중력파 관측기 연구소’의 중력파 검출장치이다. 이 중력파 검출장치를 통해서 탐지된 중력파 이론이 어떤 것이기에, 이렇게 큰 화제가 되었을까?

▲미국 캘리포니아 공과대학교 라이고 연구소(LIGO LAB), 사진출처: LIGO

우선, 중력파란 무엇인지 알아볼 필요가 있다.

중력파란 무엇일까? 위키백과에 의하면, “중력파(重力波, graivitational wave)는 물리학 용어로, 움직이는 물체(질량)에 의하여 시공간(중력장)의 곡률(뒤틀림)에 발생한 요동이 광속으로 진행하는 파동을 말한다. 중력복사(重力輻射)는 이러한 중력파에 의해 전달되는 에너지를 말한다. 중력파를 방출하는 계의 대표적인 예는 백색 왜성, 또는 중성자별이나 블랙홀을 포함한 이중성계이다. 중력파는 1916년에 알베르트 아인슈타인에 의한 일반 상대성 이론에서 그 존재가 예언된 이래로 간접적으로만 그 존재가 확인되었으나 2016년 2월 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에서 직접적으로 관측하는데 성공하였다.”고 설명하고 있다.

용어가 많이 낯설고 어려울 수 있기에 풀어서 설명하자면, 중력파는 블랙홀과 빅뱅처럼 같이 거대한 물체끼리의 충돌할 때 발생하는 파동을 의미한다. 그리고 이 파동이 발생할 때, 시간과 공간이 흔들리게 된다. 이 때, 일시적으로 시간의 흐름이나 물체의 위치가 변하는데, 이것은 100년 전(1916년) 알버트 아인슈타인이 일반상대성이론에서 예측했던 현상이었다. 그러나, 중력이라는 힘은 우주상에 존재하는 4가지 힘(강력, 약력, 전자기력, 중력) 중에서 가장 약하다. 그 때문에 발표 당시의 과학기술의 한계로 발견하지 못한 채, 추측만 할 뿐이었다. 하지만 이번 라이고(LIGO)의 중력파 발견을 통해서 아인슈타인의 이론을 증명해내는 중요한 역할을 한 것이다.

라이고(LIGO)가 포착한 중력파는 무엇일까?

라이고(LIGO)는 지구 남반구의 마젤란 성운 방향으로 13억광년 떨어진 우주공간에서 블랙홀 두개가 하나로 합쳐지는 모습을 주목했다. 해당 블랙홀의 질량은 각각 태양의 질량의 36배, 29배였다. 만약, 두 블랙홀이 합쳐진다면 총 질량은 36+29. 즉 태양 질량의 65배인 블랙홀이 되어야 했지만, 실제 관측된 블랙홀의 질량은 62배였다.​ 이것은 처음 질량에서 사라진 3배에 해당하는 질량이 에너지로 변형된 것이다. 그리고 그 에너지는 13억년광년이라는 긴 시간을 우주공간에 떠돌아녔다. 또한, 그 에너지가 0.2초간 지구를 스쳐지나갔는데, 라이고(LIGO)에서는 이 에너지를 포착해 낸 것이다. 그 에너지가 바로 중력파였다.

▲중력파의 작용, 사진출처: NASA

그렇다면, 왜 중력파의 발견에 세계가 열광하는 것일까?

첫번째, 중력파의 고유특성 때문이다. 중력파는 다른 물질과 반응하지 않는다는 특성을 가지고 있다. 즉, 특정 천체에서 나오는 중력파를 통해서 그 천체의 온전한 정보를 얻을 수 있다. 과학기술 전문 뉴스페이지인 ‘우리집 과학자’는 이것을 “우주를 연구하는 새로운 도구를 갖게 된 것이다. 그동안의 우주 관측은 가시광선을 이용한 광학 망원경과 전자기파를 이용한 전파 망원경에만 의존하고 있었지만, 가시광선을 포함한 전자기파는 다른 물질들과의 상호작용이 활발하기 때문에 이를 뚫고 나오기가 어려웠다.”라고 표현하고 있다. 이어 “반면 중력파는 주변 물질과 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 전자기파보다 훨씬 먼 거리까지 파동의 형태로 도달할 수 있다. 즉, 우리에겐 우주를 볼 수 있는 새로운 눈이 생긴 것이다. 또한 이 눈은 기존의 눈보다 훨씬 더 잘 보이는 눈이기에 앞으로의 연구에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대된다. 인체 내부를 볼 수 있는 새로운 눈이었던 X-Ray의 발견이 인류 의학에 얼마나 지대한 영향을 끼쳤는지를 곱씹어본다면 앞으로의 우주 과학 지평을 확장하는 데 중력파가 미칠 영향력을 기대할 수밖에 없다.”라고 말했다.

두번째, 중력파를 이용해 증명과 분석이 가능하기 때문이다. 라이고(LIGO)는 ‘인류가 얻을 수 있는 다섯가지’를 공식적으로 밝힌 내용은 다음과 같다.

첫 째. 일반 상대성 이론이 정말 맞는지 검증할 수 있을 것이다.
둘 째. 굉장히 밀도가 높고 압력이 센 곳에서 물질(원자 등)들이 어떤 반응을 보이는지 분석할 수 있을 것으로 보인다.
셋 째. 일반 블랙홀이 얼마나 많이 존재하는지 파악할 수 있을 것이다.
넷 째. 은하 중심에서 감마 레이 벌스트(Gamma Ray Burst)가 왜 발생하는 지 그 원인을 알 수 있으리라 본다.
다섯째. 거대한 별이 중력을 이기지 못하고 수축했을 때 어떤 일이 발생할 것인지 확인할 길이 열렸다.

– 출처. ‘ 우리집 과학자 ‘ 페이스북 페이지

‘우리집 과학자’ 운영진은 “이 뿐만이 아니다”며 “아인슈타인의 상대성 이론에서는 시간의 팽창에 대해서도 이야기 하는데, 강한 중력과 속도로 인해 시간이 상대적으로 흐르게 된다는 내용이 바로 그것이다”고 말했다. 운영진은 “이번 발견을 통한 아인슈타인 가설의 검증으로 중력에 대한 연구도 더 많은 가능성을 갖게 되었다”며 “이를 통해 시간의 상대성에 대한 연구 역시 진 일보할 것임을 믿어 봐도 무관하다고 생각된다.”고 덧붙이기도 했다.

▲중력파의 작용, 사진출처: LIGO

현재, 라이고(LIGO)처럼 우주의 비밀을 풀어나가고 있는 한국의 공식적인 연구참여의 현주소는 어디일까?

우선, 2009년부터 라이고(LIGO)의 데이터 분석을 맡아온 한국중력파연구협력단(KGWG : Korean Gravitational Wave Group)이 대표적인 사례라고 볼 수 있다. 또한, 한국과 미국, 호주, 브라질, 칠레가 함께하는 국제 공동사업인 ‘거대 마젤란 망원경(GMT : Giant Magellan Telescope) 건설’을 언급할 수 있다. 한국천문연구원이 참여하며 스미소니언 천문대, 카네기 천문대, 하버드대학교, 텍사스 A&M 대학교, 아리조나대학교, 텍사스 주립대학교, 호주 국립대학교가 함께하는 본 건설사업은 2018년부터 본격적인 연구활동을 준비하고 있다. 거대 마젤란 망원경(GMT)의 완공 시, 1년 중 30일간의 운영권을 얻는 한국의 눈부신 과학적 발전과, 앞으로 찾게 될 위대한 발견에 대해 기대를 해봐도 좋다.

지금까지 ‘중력파가 무엇인지’와 ‘중력파가 왜 중요한지’에 대해 설명하는 기사를 작성했다. 비록 아직은 걸음마 단계의 발견이라고 말하지만, 중력파의 발견은 과학사에서 한 획을 긋게 되는 사건이라는 점과 앞으로의 과학기술의 발전에 분명한 도움이 되었다는 사실만큼은 변함이 없을 것이다. 그리고 이번 중력파 발견을 통해 과학계에 지대한 공헌을 한 라이고(LIGO)를 비롯한 많은 과학자들에게 뜨거운 박수를 보낸다.

▲중력파의 작용, 사진출처: LIGO

글.사진=박윤찬 학생기자 parkyunchan@