중력파 검출 성공, 우주에서 날라온 13억 년 전의 편지를 받는 것과 같아

 

 

 

 

지난 2월 11일 미국의 레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)에서 중력파(Gravitational-Wave)를 직접적으로 관측했음을 공식적으로 발표함으로써 전 세계의 과학계가 흥분을 감추지 못하고 있습니다.

 

이 흥분을 빗대어 이야기하자면, 시력이 좋지 않아 앞을 볼 수 없던 사람이 오랜 기다림 끝에 안경을 쓰게 됐을 때, 혹은 매일 밤 맨 눈으로 밤 하늘을 바라보던 소년이 천체 망원경을 선물 받은 것이라 할 수 있겠습니다. 

 

도대체 중력파라는 것이 무엇이길래, 그것으로 우리가 무엇을 할 수 있기에, 과학계는 이토록 흥분하고 있는 것일까요. 

중력파의 이야기는 100년전 아인슈타인으로부터 시작됩니다.

 

<E=mc^2>

 

최근 한국에서 방영된 ‘응답하라’ 시리즈에서도 잠깐 등장했던, 집중력을 키워주는 기계의 ‘엠씨스퀘어’라는 이름으로 더 친숙한 이 방정식은 아인슈타인에 의해 처음 발표된 것으로 ‘에너지 질량 등가원리’라고 합니다.

 

이는 모든 질량은 그에 상응하는 에너지값을 갖고, 반대로 이야기해서 일정 에너지값을 갖는다는 것은 그에 해당하는 질량을 갖는다는 것과 동일한 물리학적 원리를 뜻합니다. 이는 실제로 원자, 전자들의 미시세계에서는 그 현상이 쉽게 발견되고 있습니다. 두 개의 전자가 서로 충돌하여 사라져 버리고 전자 두 개의 질량값에 해당하는 에너지를 가진 빛이 방출된다던지, 반대로 두 줄기의 빛이 서로 충돌하여 빛이 사라지고 그 에너지값에 해당하는 질량을 갖는 전자 두개가 갑자기 생기는 등의 쌍소멸(pair annihilation), 쌍생성(pair production) 현상은 이미 과학계에 널리 알려져 있는 현상입니다.

 

하지만, 이런 현상은 거시세계에서는 쉽게 찾아 볼 수 없었는데, 상당한 크기의 질량이 에너지로 변환되기 위해서는 상상하기 힘들 정도의 커다란 에너지가 있어야 하기 때문입니다. 중력파에 대한 이야기는 바로 여기부터 출발합니다.

 

아인슈타인은 거대한 블랙홀이 충돌하는 정도의 엄청난 에너지가 발생한다면 거시 세계에서 질량이 에너지로 전환되는 것도 가능하며, 이는 엄청난 충격파를 발생시켜 시공간의 뒤틀림을 만들어 낼 것이라고 예측했으며, 이 질량 손실에 의한 충격파를 바로 ‘중력파(gravitational wave)’라고 부르는 것입니다.

 

하지만, 아인슈타인 본인은 이러한 중력파 측정이 거의 불가능할 것이라고 생각했는데, 중력파의 측정값이라는 것이 일반적인 측정오차 한계보다 훨씬 작은 값이며, 무엇보다 아인슈타인은 블랙홀의 존재 자체를 크게 믿지 않았기 때문입니다.

 

이렇게 존재할 것이라고 예측은 되었지만, 측정은 거의 불가능할 것이라고 여겨졌던 중력파가 예측된지 100년이 되어서야 직접적으로 관측이 된 것입니다. 그 동안 간접적인 방법으로 중력파의 존재를 증명한 사례는 꽤 있지만, 파동을 직접적으로 관측한 것은 이번 LIGO 연구팀이 처음으로 이루어낸 엄청난 과학적 업적인 것입니다.

 

이번에 중력파 검출을 성공한 LIGO는 1980년대에 메사추세츠 공과대학(MIT) 물리학과 명예교수인 라이너 와이즈(Rainer Weiss), 작년에 개봉되었던 ‘인터스텔라’라는 영화의 과학자문을 맞았던 것으로도 유명한 캘리포니아 공과대학(Caltech) 이론물리학 석좌교수 킵 손(Kip Thorone), 그리고 같은 대학 물리학과 명예교수인 로날드 드레버(Ronald Drever)에 의해서 처음 제안된 방법에 따라 건설된 세계 최대 규모의 중력파 검출소입니다.

 

이번 중력파 검출을 통해서 이들 세 사람이 올 해의 노벨 물리학상을 수상하게 될 것이라는 것은 거의 확실시 됐다는 이야기가 돌고 있기도 합니다.

 

그렇다면 중력파를 검출하는 LIGO는 도대채 어떤 원리로 이 세기의 발견을 한 것일까요? 사실LIGO의 기본적 원리는 간단합니다. 동일한 길이의 두 갈래의 터널로 레이져 빛을 쏘아 보내고, 그 터널 끝에 위치한 거울에 반사되어 돌아오는 레이져빛을 출발점에서 다시 관측한다면, 비록 두개의 다른 터널이지만, 정확히 같은 거리를 지나오는 것이기 때문에 정확히 같은 시간에 제자리로 돌아와야 합니다.

 

하지만, 중력파가 터널을 지나가게 되면 시공간에 뒤틀림 현상이 일어나 두 터널에서 돌아오는 신호에 미세한 차이가 생기게 되고, 그 차이를 측정함으로써 중력파를 측정할 수 있게 되는 것입니다.  LIGO 연구팀은 이 미세한 차이를 정확히 측정하기 위해 워싱턴주와 루이지에나주 두 곳에 동일한 L자 구조의 터널을 건설하고 중력파 검출을 시도해 왔었습니다. 오랜 기간 실험을 지속했지만 중력파 검출에 실패한 이유가 1세대 검출기의 감도가 부족했었음을 발견하고, 지난 수년간 대대적인 업그레이드 작업을 한 후 시행된 첫번째 관측가동을 통해서 이번 중력파 검출을 해낼 수 있었던 것입니다.

 

그럼, 도대체 중력파의 발견이 왜 그렇게 대단한 것일까요? 이번에 LIGO연구팀이 관측한 중력파는 계산 결과 태양의 질량보다 약 29배, 36배에 해당하는 두개의 거대 블랙홀 충돌에 의해 발생된 것으로 알려졌습니다.

 

이 블랙혹들은 오랜 기간 서서히 끌려오다가 일정 거리이내로 가까워 진 후 수분 정도의 짧은 시간동안 빠르게 접근하여 충돌을 하게 되고, 그 순간 태양의 약 3배 정도에 해당하는 질량이 에너지로 전환되며 생겨난 중력파가 우주로 방출된 것입니다. 그런데, 이 중력파가 만들어 진 것이 놀랍게도 13억년 전에 만들어진 것이라는 것이 이번 연구팀이 알아낸 결과입니다.

 

비록 그 세기는 미세하지만, 그 오래전 우주에서 생성된 신호를 현재까지도 직접적으로 검출이 가능해져서 이들을 읽어드릴 수 있다는 것은 13억년 전의 우주로부터 직접적으로 한 통의 중요한 편지를 받는 것과 같은 의미가 있는 것입니다. 또한 우주가 지금만큼 팽창하기 전인 초기의 불안정한 우주에서는 이런 충돌에 의한 중력파 방출이 지금보다 훨씬 더 빈번했을 것이라 생각되기 때문에, 우리가 중력파를 읽어드릴 수 있는 기술을 갖게 되었다는 것은 초기 우주로부터 날아오는 수많은 정보들을 이제 드디어 읽어드릴 수 있게 되었다는 것을 의미하는 것입니다.

 

중력파 검출은 100년 전 한 위대한 물리학자였던 아인슈타인의 이론적인 예측을 이제 실험적으로 증명한 것으로 연구가 일단락이 되었다는 의미가 아니라, 이로서 초기 우주의 비밀을 파헤치기 위한 새롭고 거대한 연구분야가 시작됐다는 것을 의미합니다.

 

일상적인 삶에서는 아무런 변화도 없는 일상일뿐이지만, 적어도 과학을 하는 사람들에게는 어쩌면 지난 수세기 동안 인류의 과학적 업적 중 가장 빛나는 발견이라 감히 말할 수 있는 이유는 그 동안 우리들 바로 옆에 있지만, 이를 읽어들일 방법이 없어서 알 수 없었던 수많은 과학적 수수께끼의 실마리들을 중력파 검출을 시작으로 얻을 수 있을 것이라는 기대감 때문일 것입니다.  

 

석준영 (비센 학원장)