노벨물리학상 ‘중력파 확인’ 미 과학자 3명에게

- 2017년 노벨물리학상에 중력파 확인 미국 라이고 팀의 라이너 바이스·배리 배리시·킵 손 공동수상

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▲사진: 노벨위원회

2017년 노벨물리학상은 아인슈타인이 100년 전에 주장한 중력파의 존재를 실제로 확인한 미국 과학자 3명에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 3일(현지시간) 중력파의 실체를 밝힌 라이고(LIGO) 연구팀인 라이너 바이스(Rainer Weiss) 매사추세츠공과대 명예교수와 배리 배리시(Barry C. Barish) 캘리포니아공과대학(캘텍) 교수, 킵 손(Kip S. Thorne) 캘텍 명예교수 등 3명에게 올해 물리학상 수상자로 선정했다고 밝혔다.

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▲사진: 노벨위원회
2015년 9월 14일 첫 번째 발견된 중력파는 13억광년 떨어진 우주에서 날아온 중력파가 미국 루지애나주에 있는 레이저 중력파 관측소 라이고(LIGO)에 포착되며 인류는 이론상으로만 존재하던 중력파의 실체를 확인하게 된다.

중력파 검출은 우주를 바라보는 새로운 눈을 발견한 것으로 당시 인류는 흥분의 도가니에 빠졌다.

그로부터 약 3개월이 지난 2015년 12월 26일 새벽 3시 38분 53초 라이고(LIGO) 연구진을 비롯한 유럽 5개국 과학자들로 이뤄진 비르고(VIRGO) 연구진은 루지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸포드에 있는 두 곳의 쌍둥이 LIGO 관측소에서 두 번째 중력파 검출에 성공하게 된다. 

중력파란 큰 별이 폭발하거나 블랙홀이 생성되는 등 중력 변화에 따라 발생하는 파동의 일종으로 잠시 시간과 공간을 일그러뜨리는 것으로 알려졌다. 마치 잔잔한 호수에 돌을 던지면 물결이 생기듯이 중력에 큰 변화가 생기면 인간의 `시공간`에도 파동이 생긴다. 이 때문에 흔히 ‘시공간의 물결’이라고 부르기도 하며 우주 탄생의 비밀을 풀어줄 열쇠로 알려졌다. 

Gravitational Wave지구에 도달한 두번째 중력파(GW151226)는 첫 번째 중력파(GW150914)보다 1억광년 더 먼 곳인 14억광년 밖에서 날아온 파동이었다. 

첫번째 발견된 중력파의 근원지는 마젤란은하 방향 13억광년 떨어진 지점으로 당시 각각 태양의 질량 36배와 29배의 블랙홀 2개가 서로 충돌해 합쳐지면서 방출된 중력파가 지구에 도달한 것이다.

두번째로 발견된 중력파 GW151226은 첫 번째와 마찬가지로 두개의 블랙홀이 합쳐지면서 발생된 중력파이다. 각각 태양 질량 14배와 8배의 블랙홀로 첫 번째 중력파 블랙홀들(36배/29배)보다 작은 형태의 블랙홀이다. 

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▲사진: 노벨위원회
하지만 첫 번째 중력파(GW150914)가 LIGO 센서에 약 0.25초간 포착된데 비해 두 번째 중력파(GW151226)의 검출은 비교적 긴 시간인 1초가량이나 지속 되었다. 이는 블랙홀들의 질량과 관계가 있다.

첫 번째 중력파 블랙홀들은 질량(중력)이 컸기 때문에 충돌하는 과정에서 비교적 빠른 속도로 합쳐지게 된다. 하지만 두 번째 중력파 블랙홀들은 질량이 작기 때문에 첫 번째 보다는 느린 속도로 합쳐지게 된 것이다. 중력파는 두 거대한 질량 천체들이 서로간의 중력 충돌이 임박했을 때부터 강하게 방출되기 때문이다.

두 번째 중력파 블랙홀들은 관측 결과 충돌 직전 서로 간에 55바퀴를 공전했다. 반면 첫 번째 중력파는 10바퀴 공전했다. 쉽게 말해 질량이 큰 천체들이 합쳐질 때는 질량이 작은 천체보다 더욱 빠르게 합쳐진다는 것이다.

어떤 사건에 있어 신뢰도를 나타내는 지표로 두 번째 중력파 검출의 신뢰 수준은 시그마 5로 수학적으로 300만분의 1의 오차 수준이다. 첫 번째 중력파 검출 때는 500만분의 1이다. 결국 두 경우의 신뢰도 모두 100%라고 봐도 무방하다는 것이다.

현재 라이고(LIGO)의 성능은 업그레이드 중으로 연구진들은 블랙홀뿐만 아니라 중성자별끼리의 충돌이나 초신성 폭발 시 방출되는 중력파 또한 포착하는 것을 목표로 하고 있다. 

하지만 현재 라이고의 성능으로는 이론상 10kpc(킬로파섹, 10만 6천 광년)내에 있는 경우에 한해서 중성자별 충돌이나 초신성 폭발 중력파를 검출할 수 있다. 이 정도 거리에선 초신성 기준으로 수백년에 한 번 폭발 할까 말까한 확률이다.

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▲사진: 노벨위원회
미래학자이자 전 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원인 차원용 박사는 “이번 라이고 팀의 노벨물리학상 수상은 커다란 의미가 있다”며, “그동안의 우주 관측은 가시광선을 이용한 광학 망원경이 우주를 내다보는 첫 번째 창이었다면 더 멀고 더 오래된 신호를 포착하는 전자기파를 이용한 전파 망원경이 있었다. 하지만 전자기파는 다른 물질들과의 상호작용이 활발해서 이를 뚫고 나오기가 어려워 약 30억년 밖에 관측이 어려웠다. 반면 중력파는 블랙홀끼리 충돌해 더 큰 블랙홀이 생기는 것을 관측하는 데 성공함에 따라 주변 물질과 상호작용이 거의 없는 중력파 망원경을 만든다면 우주 생성 초기까지도 볼 수 있을 것이다. 이러한 인류의 중력파 발견은 앞으로 천문학의 지평을 확장하는 데 엄청난 영향력을 미칠 것”이라고 설명했다.

이러한 사실은 빅뱅이후 우주 태초의 시기부터 무한히 지속된 항성들의 초신성 폭발, 즉, 우주에는 수없이 많은 블랙홀들이 널려 있다는 뜻으로 앞으로 라이고(LIGO) 활약에 많은 기대해 본다. 

노벨위원회는 “지금까지 우주선이나 중성미자와 같은 모든 종류의 전자기파와 입자가 우주 탐험에 사용되어 왔다. 그러나 중력파는 시공간의 교란을 직접적으로 보여주고 있다. 이것은 완전히 새롭고 다른 것이다. 즉, 보이지 않는 세계를 열어준다”고 강조했다.

[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]