지난 2016년 중력파(gravitational wave)의 존재를 확인함으로써 올해 노벨 물리학상을 받은 레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO,이하 ‘라이고’)의 연구진들은 또 다시 중요한 관측을 이끔으로써 주목을 받고 있습니다. 지난 8월 17일 라이고 관측소에서는 유럽에서 새롭게 가동되고 있는 또다른 중력파 관측소 비르고(VIRGO)팀과 함께 두개의 중성자별의 충돌로부터 분출된 중력파를 관측했습니다. 작년에는 중력파의 존재를 입증한 것이고, 이번에는 그 중력파를 이용해서 우리가 알아낼 수 있는 우주의 퍼즐의 첫번째 조각을 맞추게된 것입니다. 중력파는 관측이 어려운 만큼 어떤 물질에 의해서도 간섭이 쉽게 일어나지 않습니다. 그만큼 빠르게 진행할 수 있고, 덕분에 다른 어떤 신호보다도 먼저 지구에 도착하기 때문에, 전쟁의 가장 선두에 선 척후병의 역할을 담당합니다. 라이고와 비르고 연구진은 중력파의 검출사실을 연구 네트워크에 빠르게 공개했고, 소식을 접한 전세계의 관련 연구진들은 자신들의 레이더를 중력파가 날아온 곳으로 향하게 하고 신호를 잡기 위해 노력했습니다. 그 결과, 칠레, 호주 등지의 천문대에서는 동일한 현상에서 비롯된 가시광선 신호를 포착하였고, 우주 망원경 페르미, 찬드라 등도 엑스선 검출을 성공함으로써 중성자별 충돌 현상을 재차 확인하였습니다. 이는 최초로 중성자별의 충돌을 감지했다는 쾌거와 함께, 중력파가 우주의 신비를 풀어내는 데에 얼마나 강력한 무기가 될 수 있는지를 증명해 준 의미있는 관측결과입니다.

우주의 기원에 대해서 현재 과학계가 가장 합리적이라고 믿고 있는 이론은 잘 알려진 빅뱅이론(Big-Bang Theory)입니다. 빅뱅이론에 따르면 약 13억년전 작은 점에 밀집되어 있던 에너지가 대폭발(big bang)을 일으키면서 팽창되기 시작했습니다. 핵폭탄이 터지는 중심부 정도와는 비교가 안될 정도로 높은 온도에 고밀도 상태의 혼돈의 상태에서 폭발이후 1 마이크로 초(0.000001초)동안 엄청나게 작은 기본입자들인 여섯 종류의 쿼크(quark), 그리고 전자를 포함한 여섯 가지의 경입자(lepton)이 만들어졌습니다. 이후 약 3분이 될 때까지, 쿼크들이 결합하여 원자핵을 구성하는 양성자(proton), 중성자(neutron) 들이 만들어지고, 중성자와 양성자 한쌍씩이 뭉쳐 헬륨의 원자핵이 만들어집니다. 주기율표에서 가장 가벼운 원자가 수소, 헬륨인데, 수소의 원자핵에는 양성자 하나만이 존재하니, 우주가 만들어지고 3분안에 주기율표에 있는 많은 원소들 중에 가장 가벼운 두가지, 수소와 헬륨의 원자핵이 우주에 만들어진 것입니다. 하지만, 아직 완전한 원자가 아니고, 중심부의 핵만이 존재하는 것입니다. 이렇게 형성된 수소핵과 헬륨핵이 주변의 전자들을 포획해서 온전한 수소 원자와 헬륨 원자가 되는데까지 약 38만년의 시간이 흐릅니다. 많은 원자들 중 가장 단순한 원자 두종류가 만들어지는데 이렇게 오랜 시간이 걸린 것은 우주의 온도가 너무 높았기 때문입니다. 온도가 낮아져서 기본입자들의 운동성이 줄어들면서 결합이 가능해 지는데까지 그만큼의 시간이 흐른 것입니다. 물론 38만년이라는 시간은 우주의 나이에 비하면 표현할 수도 없을 만큼 짧은 ‘찰나’에 해당하긴 하지만 말입니다. 

이후 약 3억년의 시간이 흐르는 동안 우주의 온도는 항성(star)이 형성될 수 있는 온도까지 낮아지고, 이 시기에 별, 은하, 성단 등이 형성되었습니다. 우주 공간에 대부분이 수소와 헬륨만으로 채워져 있을 때, 그들이 응집해서 만들어진 것이 별이고, 은하계이다보니 당연히 별의 주성분은 수소와 헬륨입니다. 실제로는 헬륨이 존재하기는 했지만, 그 비율이 수소에 비해 매우 적었기 때문에, 별의 주성분은 수소로 이루어져 있다고 할 수 있습니다. 공간상에 퍼져있던 수소들이 좁은공간인 항성의 내부로 응집되었으니, 그 내부는 고밀도, 고압, 그리고 고온의 상태가 만들어집니다. 가벼운 원자들이 이러한 고온, 고압의 상태에 놓이면, 더 안정적인 원자핵이 되기 위해 서로 결합하는데, 이를 핵융합(nuclear fusion)이라고 하며, 모든 항성들이 빛을 내는 에너지원에 해당합니다. 더 큰 원자를 결합하기 위해서는 더욱 더 높은 온도와 압력이 요구되기 때문에, 항성의 내부에서 만들어질 수 있는 원자들은 한계가 있게 되고, 탄소, 산소, 질소(주기율표에서 맨위에 두줄에 위치한 원소들) 정도만이 항성의 내부의 조건에서 만들어질 수 있습니다. 즉, 철, 알루미늄 등과 같이 친숙한 금속들, 원자력 발전에 사용되는 우라늄, 많은 양은 아니지만 핸드폰 등의 주요 부품에 사용되며 귀하게 여겨지는 희토류 금속들, 많은 이들의 손가락에서 빛나고 있는 금반지 등의 기본 원소들이 만들어 지기 위해서는 별의 중심부보다 더 높은 압력과 온도를 갖는 상태가 만들어져야 한다는 것입니다. 그리고 이렇게 엄청난 에너지를 갖고 있는 상태가 만들어지는 유일한 상황은 별이 폭발하는 상황에서만 가능하다고 보고 있습니다. 초신성의 폭발이나 중성자별의 충돌, 블랙홀의 병합등의 상태에서 이런 질량이 높은 원자들이 생성되었다고 이론적으로 계산되었고, 이러한 과정은 S-과정, P-과정, 그리고 R-과정으로 분류됩니다. S-과정의 S는 느린(slow)을 뜻하고 태양보다 조금 큰 정도의 별인 적색거성(red giant)에 의해 일어난다고 생각되며, 약 수 천년의 시간동안 지속되고 이 과정을 통해 중간 질량의 원소들이 만들어졌을 확률이 높다고 알려져 있습니다. P-과정은 초신성(supernova) 폭발시에 일어나는 과정으로 백금이나 이리듐 정도의 원소들이 형성되는 과정으로 알려져 있습니다. 마지막 R-과정은 중성자별과 같은 매우 무거운 별들의 충돌에서 형성되는 매우 빠른(rapid) 과정이며, 매우 짧은 시간에 엄청난 양의 에너지를 방출하기 때문에 현재까지 알려진 원소들중 가장 무거운 원소들은 바로 R-과정에 의해서 가능하며, 강한 중력파를 만들어 내는 것으로 알려져 있습니다. 이번에 관측된 중성자별의 충돌은 약 1억 3천만년전에 일어난 폭발에서 비롯된 R-과정에서 만들어진 중력파를 검출한 것입니다. 위에 설명드린 우주의 기원 및 원자의 형성단계 등은 우리가 다시 실험해 볼 수 있는 내용들이 아니기 때문에 어찌 보면 하나의 ‘썰’일 뿐이라고 할 수도 있는 것들이지만, 중력파 덕분에 이제 이들에 대한 확고한 증거들을 읽어들일 수 있게 된 것이고, 이번 관측은 앞으로 관측될 엄청난 발견들의 신호탄 정도일 뿐일 것입니다. 

이렇게 우주 반대쪽에서 일어나는 일을 관측하는 일은 단지 우주의 기원을 밝히는 것일 뿐만 아니라, 우리가 어디에서 왔는가에 대한 답을 찾는 것이기도 합니다. 생명체 역시 우주의 한 부분입니다. 그렇기에 생명체의 구성비율은 지구 물질의 구성비율과 밀접한 관계를 갖고, 지구의 구성비율은 태양의 그것, 그리고 우주의 구성비율에서 비롯됩니다. 말씀드렸듯이 초기 항성에는 수소와 약간의 헬륨만이 있을 수 있는데, 태양에서 떨어져 나온 조각에 해당하는 지구에 이렇게 다양한 원소들이 있다는 것은, 이미 우리의 태양이 만들어지기 전에 수많은 항성들의 폭발, 병합 등이 일어났고, 그로부터 생성된 원소들이 태양이 만들어질 때에 함께 뭉쳐진 것입니다. 하지만 더 놀랍고 흥미로운 사실은 지금 우리 태양계가 위치한 바로 이곳에 태양계 이전에 얼마나 많은 태양계가 있었을지 조차 모른다는 것입니다. 얼마나 많았을지는 모르지만, 그러한 상태가 존재했었다는 사실은 분명합니다. 그렇지 않는 한 우리에게 이렇게 다양한 원자들이 있을 수 없기 때문입니다. 많은 과학자들이 현재 우주에 혹시 외계 생명체가 있나를 찾으려고 하지만, 이미 없어져서 관찰이 불가능한, 태양계와 유사했던 어딘가에 생명체가 있었을지도 모를 일입니다. 물론 그런 세밀한 사실까지 밝혀 지는 것은 어려운 일일 수도 있겠지만 이번 중력파의 측정과 중성자 별 간의 충돌과 비슷한 연구가 거듭 될수록 우주에 관한, 혹은 좀 더 나아가 우리의 시작에 관한 더 많은 사실이 알려질 것입니다. 그렇게 과학적 발견에 대한 노력이 쌓여 밝혀지게 될 어떤 사실들이 우리를 또 놀라게 할지 기대가 됩니다.