NSF, 아인슈타인 예측 '중력파' 발견…우주과학 새 획 긋다

(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

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.

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.