중성자별 충돌서 '중력파·전자기파' 동시 검출…'킬로노바’ 실체 확인

KMTNet 남아프리카 관측소가 포착한 GW170817의 모습/사진=천문硏

우주 생성의 신비를 풀어 줄 중력파가 블랙홀에 이어 ‘중성자별’의 충돌에서도 처음으로 관측됐다. 과거 이론적 가설로만 제시됐던 천체 물리 현상들이 차례로 사실로 입증되고 있다.


한국중력파협력연구단, 한국천문연구원, 서울대 초기우주천체연구단, 성균관대 우주과학연구소 소속 총 38명의 국내 과학자들이 참여하고 있는 국제 라이고(LIGO)·비르고(VIRGO)공동연구팀은 ‘중성자별’의 충돌로부터 방출된 중력파 신호를 최초로 검출했다고 17일 발표했다.

연구단은 또 지상전문관측시설 70개, 우주 망원경 7대 등의 관측시설로 중력파 발생 뒤 감마선, X-선, 가시광선이 나타나는 현상도 포착했다고 덧붙였다.

(사진 왼쪽 上부터 시계방향)라이고,비르고,이상각망원경, KMTNet/사진=천문硏

◇중성자별 충돌 중력파 첫 관측…‘킬로노바’ 실체 확인=이번 연구는 지난 2015년 라이고 연구단이 블랙홀을 통한 중력파를 최초로 검출한 데 이은 차기 성과로, 당시 중성자별의 충돌에 의한 중력파도 곧 발견될 것이란 전망이 제기돼 왔다.

중력파는 천재 물리학자 알베르트 아인슈타인이 1915년 발표한 일반 상대성 이론에서 예측한 물리 현상으로, 블랙홀이 생성·충돌하거나 중성자별의 폭발이 일어날 때 강력한 중력이 우주공간에 거대한 파동을 일으키며 퍼져 나가는 것을 말한다.


‘중성자별’은 별 자체가 중성자로 이뤄진 초고밀도의 별을 뜻한다. 당시 중력파 검출은 우주천문학계의 일대 사건이었다. 중력파 연구를 위해 라이고 연구단을 제안하고 이끈 캘리포니아공과대학(칼텍) 킵 손 명예교수 등 3인은 올해 노벨물리학상을 받았다.

연구팀은 이번 추가 중력파 검출로 그간 중성자별 충돌과 그에 따른 중력파의 결과로 제시됐던 ’킬로노바‘(Kilonova) 현상과 진행 과정을 동시에 규명하는 성과도 거뒀다. 킬로노바는 어둡던 별이 갑자기 밝아져 빛의 밝기가 수천 배에 이르는 폭발 현상이다.

우주천문학자들은 블랙홀과 달리 중성자별이 충돌하면 중력파가 나온 직후 감마선을 비롯해 다양한 파장의 빛이 발생해 ‘킬로노바’ 현상을 일으킬 것으로 봤다.

◇韓 연구진, 관측에 결정적 기여=라이고·비르고 과학협력단이 중성자별 충돌에 의한 중력파 현상(GW170817)을 발견한 건 우리 시간으로 지난 8월 17일 오후 9시 41분이다.

중력파 종료 시각 약 2초 후에 약 2초간의 짧고 약한 감마선 폭발 현상이 포착됐고, 약 11시간 뒤 칠레 천문대에서 GW170817에서 발생한 가시광선 신호를 포착, 중력파가 발생한 위치를 정확하게 알아냈다.

이 과정에서 국내 연구진들의 기여가 결정적이었다는 후문이다. 임명신 서울대 교수(초기우주천체연구단 단장)가 이끄는 광학 연구진은 천문연의 KMTNet(외계행성탐색시스템)과 서울대가 호주 사이딩 스프링천문대에 설치·운용 중인 43cm 구경의 이상각 망원경 등을 사용해 중력파 발생시각 약 21시간 후부터 GW170817에 대한 가시광선 추적 관측을 시작했다. KMTNet이 3주간 24시간 연속 관측한 추적자료는 GW170817이 킬로노바 현상을 일으켰다는 것을 밝히는 중요한 근거자료가 됐다.

임명신 서울대 초기우주천체연구단장은 “중성자별 충돌결과로 이론적으로만 제시됐던 킬로노바 현상과 특이 감마선 폭발 현상이 실증됐다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는가 등의 새로운 연구가 진행될 수 있을 것”이라고 강조했다. 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 및 피지컬리뷰레터스 등에 게재됐다.