[213호 과학학술: 중력파] 중력파 검출의 의미와 가능성

지난 2월 11일, 미국의 라이고(LIGO, 레이저 간섭 중력파 관측소)를 중심으로 한 13개국 협력 연구단인 라이고과학협력단에서 최초로 중력파 검출 실험에 성공하였다. 이로써 아인슈타인이 이론적 가설로만 언급했던 중력파의 존재가 실제로 입증됐으며, 금세기 최고의 발견이라는 찬사를 받고 있다. 본 검출 실험에는 한국중력파연구협력단도 참여하여 역사적 순간에 이름을 올렸다. 이에 본보에서는 본 검출 실험 참여 연구원이기도 한 국가수리과학연구소 오정근 선임연구원으로부터 중력파 검출의 의미와 가능성, 그 성공 밑에 깔린 지고한 노력의 순간들에 대해 직접 들어보는 장을 마련하였다.

중력파란 무엇인가?

중력파는 질량을 가진 물질이 운동 상태가 변할 때 생기는 중력의 변화가 파동의 형태로 전달되는 시공간의 일렁임이다. 마치 물가에 돌을 던졌을 때 퍼져가는 물결로 비유해 볼 수 있다. 질량을 가진 물질이 가속 운동을 하게 되면 항상 중력파를 방출한다. 이 현상은 일찍이 지금으로부터 100년 전인 1916년 아인슈타인에 의해 예견되었다. 일반상대성이론을 완성한 1915년 아인슈타인은 이듬해 자신이 만든 장 방정식을 이용해서 아무것도 없는 시공간에 갑작스럽게 물질의 작은 섭동이 생긴다면 어떻게 될까를 생각했다. 잔잔한 물위에 돌 하나를 던진 상황을 시공간에서의 장 방정식을 통해 유도하려 했던 것이다. 이 상황을 가정하여 아인슈타인은 물질의 섭동을 기술하는 파동 방정식을 얻었고, 그 풀이가 중력파를 묘사하고 있음을 인식했다.

중력파는 질량을 가진 물질이라면 어떤 것이나 방출하긴 하지만 그 세기가 너무 약하기 때문에 우리 주변의 물질이 방출하는 중력파는 거의 없다고 봐도 무방하다. 중력파의 세기를 감지할 수 있을 정도라면 적어도 우주에서 일어나는 천체들의 급격한 현상이어야 가능할 수 있을 것이다. 그러나 5400만 광년 떨어진 처녀자리 성단에서 발생한 중성자별 두 개의 충돌로 생긴 중력파가 지구에 도달할 때 세기는 10-21 정도이다. 감히 측정할 엄두가 나지 않는 작은 크기이다. 이 크기는 양성자 크기의 만분의 일보다도 작은 크기이다. 태양보다 약 2배 가까이 되는 두 별의 충돌과 같은 그렇게 천문학적인 사건이 발생시키는 중력파의 세기도 지구에서 측정한다면 이와 같이 작다. 그래서 아인슈타인도 자신이 예측한 중력파는 실험적으로 검출되기 어려울 것이라고 보았다.

1940년대와 1950년대를 거치면서 이론가들은 우리 은하에서 폭발한 초신성이나 중성자별 쌍성과 같은 고중력 천체의 충돌 등으로부터 발생한 중력파에 관심을 가지고 연구하기 시작했다. 이때에 중력파의 풀이에 대한 다양한 수학적 해와 방법론들이 제시되었고, 중력파의 본질에 대한 연구들이 무르익었다. 이 시기에 쌍성계가 방출하는 중력파는 이론적으로 확고해져가고 있었다. 1974년 조지프 테일러와 러셀 헐스는 14개월간 아레시보 천문대에서 40여 개의 새로운 펄서*(pulsar)를 관측했다. 그중 하나가 다른 동반성과 함께 쌍성을 이루고 있다는 것을 밝혀내어 최초로 쌍성 펄서를 발견하였다. 조지프 테일러는 이후 쌍성이 중력파를 방출하면서 가까워지는 공전주기를 관측하였고, 이 값이 일반상대성이론이 예측하는 값과 정확하게 일치함을 보였다. 이는 중력파의 간접적인 존재 증거가 되었다. 1993년 테일러와 헐스는 이 쌍성 펄서 발견의 공로로 노벨물리학상을 수상하였다. 물리학자들은 이렇게 중력파가 존재한다는 간접적인 증거에 힘입어 수많은 이론적인 연구에 뒷받침하여 중력파의 직접검출을 시도하기에 이른다.

중력파 검출 실험의 노력들

중력파를 처음 실험적으로 검출하고자 시도한 이는 미국의 물리학자인 메릴랜드 대학의 조지프 웨버(Joseph Weber)였다. 그는 메이저(MASER) 연구의 초기 공로자였으나 이후 일반상대성이론에 관심을 가졌고, 존 아치볼드 휠러(John Archibald Wheeler)와의 공동연구를 통해서 처음으로 중력파의 실험적 가능성을 타진했다. 그는 자신의 메릴랜드대학 실험실에서 원통모양의 알루미늄 상온공명 바 검출기(room temperature resonance bar detector)를 제작하여 실험하기 시작했다. 이 검출기는 물체의 결정구조 변형이 중력장의 변화에 의해 유도될 수 있으며 이를 압전효과(piezoelectric effect)에 의해 알아낼 수 있음을 이용한 것이었다. 그렇게 제작된 “웨버 바(Weber bar)”라 불리는 원통형 검출기는 1660헤르츠에서 10-16의 감도를 가진 것이었다. 웨버는 2년간 가동하여 얻어낸 데이터로부터 10개의 신호 후보들을 얻었고 “가능성 있는 중력파의 후보”일 수 있음을 조심스럽게 전망했다.

그의 주장이 처음에 조심스러웠던 이유는 관측 당시 우리은하에서 중력파를 내는 천체로 추정되는 관측결과가 전혀 존재하지 않았기 때문이었다. 그 다음해에 웨버는 자신이 제작한 두 대의 바 검출기에서 0.2초 내에 시간적으로 일치하는 후보 4개를 검출했고 이 신호들이 우연히 일치성을 보여줄 빈도를 제시했다. 그 중 하나의 신호는 약 8천 년에 한 번꼴로 우연히 일치한다는 결과여서 웨버는 이것들이 중력파의 신호일 가능성이 크다고 믿기 시작했다. 1969년까지 웨버는 총 4대의 상온 공명 바 검출기를 보유하고 있었고, 1969년 논문에서 그는 4개의 검출기에서 발견된 데이터 중 시간적으로 일치하는 3개의 신호 후보를 제시했다. 그리고 이들이 잡음의 조합으로부터 우연히 얻어질 빈도를 제시했는데 그 중 하나는 약 7천만 년에 한 번꼴이라는 수치가 제시되었다. 이는 웨버가 중력파의 발견을 확신하는 이유였다. 이 논문이 출간되기 2주전 웨버는 신시내티에서 열렸던 중서부 상대론 학회에서 이 결과를 발표했다. 발표를 듣던 청중들은 충격에 휩싸였고, 많은 갈채와 찬사를 받았다. 중력파가 실제로 검출될 수 있음에 많은 사람들은 놀라고 흥분했다. 이 학회에는 캘리포니아 공대의 킵 손(Kip S. Thorne)도 참석하고 있었다.

웨버는 일약 스타가 되었다. 연일 언론 매체에서는 웨버의 발견이 금세기 위대한 발견이라 칭송하면서 웨버의 실험실을 인터뷰하느라 정신이 없었고, 일반상대성이론은 최고의 인기 강연주제가 되었다. 이후 웨버의 실험을 따르기 위한 중력파 실험연구그룹이 전 세계적으로 열 곳이 넘게 생겨났다. 미국에서도 IBM, 벨연구소, 스탠포드대학, 루이지애나 주립대학 등에 중력파 실험팀이 꾸려졌고, 중력파검출실험은 이제 가장 뜨거운 연구주제가 되었다.

그러나 이후 수년간의 검증과정 속에서 웨버는 서서히 그 결과를 의심받고 있었다. 전 세계에서 제작된 웨버 형태의 바 검출기는 웨버와 유사한 어떤 신호도 검출할 수 없었다고 보고했다. 이론가들에 의해서는 웨버가 발견했다고 주장한 그런 중력파 신호가 어떤 천체현상으로 발생해야 하는지를 고찰하는 연구 결과들이 웨버의 결과를 부정하기 시작했다. 그 선두에 섰던 사람은 스티븐 호킹(Stephen W. Hawking)이었다. 호킹은 웨버의 주장대로 그 신호가 우리은하에서 왔다면 우리은하가 중력파의 방출로 잃어버려야 하는 에너지를 추정했는데, 그 값이 너무 커서 우리은하가 존재할 수 없다는 결론이었다. 웨버에게 호의적이었던 킵 손-킵 손은 웨버가 초기 중력파 실험에 대한 공동연구를 했던 휠러의 제자이다-역시 기고문에서 그 중력파 천체에 대한 다양한 가능성을 고찰했고, 그 결과는 역시 부정적이었다. 이후 속속들이 실험팀에서의 반박도 이어졌다. 블라디미르 브래진스키, 토니 타이슨, 제임스 레바인, 리처드 가윈 등은 자신들이 제작했던 여러 바 검출기에서 어떠한 신호도 발견하지 못했다고 보고했다. 토니 타이슨은 심지어 웨버가 주장했던 은하의 중심방향으로는 쎄로톨로로 천문대의 광학관측 결과로도 어떤 중력파 천체의 징후도 없었다고 보고했다. 리처드 가윈은 웨버의 소프트웨어에 문제가 있음을 지적했고, 그 신호가 어떠한 형태의 잡음 더미로도 재생산될 수 있음을 증명했다. 이는 웨버의 결과가 배척되는 결정적인 증거들 중 하나였다.

비록 웨버의 결과가 사실이 아님으로 판명났지만 웨버의 위대한 업적은 전혀 불가능할 것으로 보였던 중력파 검출의 실험이 가능할 수 있음을 제안하고 실행했다는 점에 있다. 이후 중력파를 검출하려는 수많은 연구팀들은 새로운 기회를 찾아 기술을 발전시키고, 새로운 아이디어를 찾아 적용하는 데 혼신의 힘을 다했다. 그러한 노력 중의 하나가 레이저 간섭계(laser inteferometer)를 이용한 검출기의 제안이었다.

라이고 프로젝트와 100년 만의 발견

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간섭계를 이용한 중력파 검출실험을 처음 생각한 이는 1970년대 초 러시아의 물리학자였던 게르첸슈타인(Gertsenshtein)과 푸스토보이트(Pustovoit)였다. 이 아이디어는 거의 동시대에 웨버와 그 학생이었던 로버트 포워드(R. Forward)에 의해서도 구체화되고 연구되었다. 그러나 실제 중력파 검출에 현실적으로 진지하게 연구되기 시작한 것은 MIT의 라이너 와이스(Rainer Weiss)와 캘리포니아 공대의 로널드 드레버(Ronald Drever)등에 의한 기초연구에서였다. 이들은 중력파를 검출하기 위한 레이저 간섭계의 잡음원에 대한 분석과 기술적인 한계들에 대해 연구했고, 수 미터에서 수백 미터에 이르는 프로토타입을 제작하기도 했다. 그리고 간섭계가 가져야할 안정화된 레이저를 만드는 기법 등 간섭계에 필요한 필수요소 기술들이 이 시기에 연구되고 개발되었다. 이 모든 것은 장기적인 안목을 통해 지원한 미국과학재단(NSF, National Science Foundation)의 혜안과 뚝심 덕분이었다. 캘리포니아 공대의 킵 손은 이론적인 면에서 중력파 검출이 가시화되는 데 기여했다. 실제 레이저 간섭계가 검출할 수 있는 중력파 천체의 후보에 대한 신중하고 엄밀한 연구를 진행했다. 실제 중성자별*이나 블랙홀의 쌍성계에서 방출되는 중력파의 파형과 이를 통한 물리량의 추출, 신호의 분석을 위한 다양한 방법론에 대한 연구를 통해 중력파 검출실험을 현실화하는 토대를 쌓았다.

이런 선행 연구들이 무르익은 1983년 MIT그룹에서는 <블루북(bluebook)>이라 이름 붙은 보고서를 미국과학재단에 제출하였다. 여기에는 그동안의 레이저 간섭계를 이용한 중력파 검출에 대한 기술적인 요소와 가능성, 건설부지의 제안, 과학적 목표 등이 담겨 있었고, 이를 토대로 1987년 “라이고(LIGO, Laser Inteferometer Gravitational-wave Observatory)”라 이름 붙인 프로젝트의 제안서가 제출되었다. 킵 손, 라이너 와이스, 로널드 드레버에 의해 제안되고 추진된 이 프로젝트는 1991년 미국 의회의 건설예산이 승인되었고 초기 투자비용으로 약 3억 달러가 소요되었다. 2002년 첫 과학가동을 시작한 라이고는 2010년까지 총 여섯 차례의 과학가동을 수행하였는데, 이 중 다섯 번째 과학가동에서 설계 감도(design sensitivity)에 도달했고 이 시기에 유럽의 중력파 검출기인 비르고(Virgo)와 함께 삼중일치 관측(triple coincident observation)을 시작하였다. 이는 세 대의 검출기 모두에서 거의 같은 시간에 발생한 신호만을 중력파 신호로 여기는 방법이다. 초기 라이고의 관측결과에서 해당 기간 동안 어떠한 중력파 신호 후보도 발견하지 못했는데, 이는 검출기가 관측할 수 있는 충분한 감도에 도달하지 못했기 때문이었다. 따라서 이후 5년간의 업그레이드를 거쳐서 약 10배 향상된 관측감도를 가지고 관측을 시작하는 “어드밴스드 라이고(advanced LIGO)”프로젝트가 진행되었다.

초기 라이고에서와 달리 지진동감소장치의 비약적인 업그레이드가 있었는데 이는 초기 라이고에서 30헤르츠 장벽에 막혀있던 지진잡음대역을 10헤르츠로 낮추어 주는 효과가 있었다. 그리고 향상된 열잡음 감쇠장치(TCS, Thermal Compensation System)와 고출력 레이저를 사용함으로써 검출기의 감도를 더욱 향상시켜 30-200헤르츠 대역에서 10-23의 감도를 달성했다. 여기에 부가적으로 파브리-페로 공진기(Fabry-Pero Cavity)에서의 레이저 왕복횟수를 280여 회로 대폭 늘려서 실제 4킬로미터 길이의 검출기가 1120킬로미터의 효과가 나도록 하여 검출기 감도향상에 큰 이득을 보았다. 이러한 업그레이드를 마치고 8차례의 시험가동을 통해 본격적인 관측의 준비가 차근차근 준비되었고, 2015년 9월 14일 마침내 어드밴스드 라이고는 중력파의 신호를 포착하게 되었다.

이 포착된 신호는 지구의 남반구에서 약 13억 광년 떨어진 우주에서 태양질량의 각각 36배와 29배의 블랙홀 두 개가 쌍성을 이루면서 회전하다가 마침내 충돌하여 하나의 블랙홀로 합쳐지는 과정에서 방출된 중력파였다. 최종적으로 태양질량의 62배 질량의 블랙홀로 합쳐지면서 태양질량의 3배에 해당하는 에너지가 중력파로 변환된 것으로 추정되었다. 실제 두 블랙홀은 합쳐지기 수백억 광년 전부터 쌍성을 이루어 돌고 있었을 것이며 13억 광년 전에 비로소 중력파에 의해 에너지를 잃으며 가까워져 충돌이 임박한 것이었다. 이때 마지막 충돌 순간에 각각은 빛 속도의 절반 속도로 회전하며 충돌하였고 가장 강한 에너지의 방출이 0.15초 동안 방출되었다. 통상 우주에서 가장 강한 것으로 알려진 감마선 폭발(GRB, gamma ray burst) 현상보다 약 100배 이상 강한 에너지의 방출이었다.

물리학과 천문학의 새로운 미래

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이 발견이 시사하는 물리, 천문학적 의미는 통상 관측에 의해 알려지거나 추정되는 블랙홀의 존재가 직접적으로 관측된 최초의 사건이라는 점이 그 하나이다. 그동안의 관측으로부터 추정되었던 블랙홀은 주변의 물질이나 동반성에 의해 방출된 엑스선 혹은 감마선의 관측에 의한 것이었다. 그러나 이 중력파의 발견은 실제 쌍성 블랙홀의 존재를 밝혀낸 것과 더불어 그 충돌의 다이나믹한 과정에서 나오는 파형(waveform)까지를 관측함으로써 블랙홀 충돌의 역동적인 모습을 포착한 최초의 발견이라는 점이 또 하나의 큰 의미를 가진다. 천문학적으로도 별의 진화단계에서 생성되는 블랙홀의 통상적인 추정질량보다 훨씬 큰 블랙홀이 존재한다는 사실을 밝힌 새로운 발견이며, 이를 통해 우주에 존재하는 큰 질량을 가지는 블랙홀의 질량 분포를 밝혀줄 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 질량 분포는 우주 초기에 생성되는 별들이 상당한 양의 무거운 블랙홀로 전이할 수 있음을 내포하고 있고, 결국 라이고와 같은 중력파 검출기는 향후 이와 유사한 충돌이 임박한 단계의 블랙홀 쌍성이 다수 존재할 수 있음을 시사하는 것이다.

어드밴스드 라이고는 지난 1월 제1차 가동이 종료되었다. 이후 업그레이드를 지속하여 올해 7월 2차 가동을 준비하고 있다. 이번 2차 가동부터는 유럽의 비르고 검출기도 가세하여 삼중관측을 시작하게 되며, 블랙홀 쌍성계와 중성자별 쌍성계에서 방출되는 중력파의 탐사가 계속될 것이다. 비르고 검출기가 가세함으로써 중력파원의 위치를 정확하게 특정하게 되는 큰 이득을 보게 될 것이고, 만약 중성자별에서부터 방출되는 중력파가 포착된다면 최초로 중력파 이후에 동반하여 방출되는 전자기파의 후속관측*(Electromagnetic Follow-up)을 통한 새로운 발견이 계속해서 이루어지게 될 것이다. 이러한 발견들은 그동안 베일에 싸여 있던 블랙홀 주변의 물리학이나 중성자별의 내부 구성, 감마선 폭발의 기작 등에 대한 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대하고 있다. 중력파는 단순히 아인슈타인의 이론을 입증하는 검증을 넘어서 우주를 바라보는 새로운 창을 제공하여 주고, 인류가 우주에 대한 이해의 폭을 확장시키는 놀라운 수단을 지니게 됨을 의미하는 것이다. 마치 400여 년 전 갈릴레이의 망원경이 육안관측의 한계를 뛰어 넘어 새로운 발견을 이끌었듯이, 중력파는 이제 ‘중력파 천문학(gravitational wave astronomy)’이라는 새로운 시대를 이끌게 될 것이다.

오 정 근 / 국가수리과학연구소 선임연구원

중성자별은 별의 진화과정 중에 생성되는 고밀도의 별이다. 태양 질량의 8배에서 20배 가량되는 거성은 별의 진화단계에서 헬륨 연료를 다 소진하게 되면 중력에 의해 수축하기 시작한다. 이때 매우 큰 중력으로 인해 원자핵이 해체되고, 전자와 양성자가 결합할 때까지 수축이 계속되어 중성자들로 이루어진 별이 형성된다. 이후 수축하는 외부 물질들이 폭발에 의해 날아가 초신성 폭발을 일으키게 된다. 이후 중성자로 구성된 별의 잔해들이 남게 되는데 이것이 중성자별이다.

펄서는 맥동전파원(Pulsar, Pulsating Source of Radiation)을 의미하며 전자기파를 방출하는 고도로 자기화된 회전하는 중성자별이다.

전자기파의 후속관측은 중력파의 방출 이후 동반되는 가시광선, 엑스선, 감마선 등 전자기파의 방출을 함께 관측하는 것을 말한다. 이를 위해서 라이고과학협력단은 전 세계의 광학천문대, 엑스선, 감마선 망원경과 우주과학위성 등과 협력체계를 구축하고 있다. 실제 중성자별이 동반된 중력파원 등은 중력파의 최초 방출이후 이러한 전자기파를 방출하는 것으로 알려져 있어서 중력파의 신호정보를 최대한 빠른 시간 내에 협력이 체결된 천문대로 전송하여 그 후속관측을 하는 체계를 갖추고 있다.

 

* 그림 설명

-그림1: 어드밴스드 라이고의 구조와 두 검출기의 감도곡선(오른쪽 위). 가장 민감한 70-500Hz대역에서 10-23이하에 도달한다. ⓒ PRL 116, 061102(2016)

-그림2: 라이고 핸퍼드 관측소(좌)와 리빙스턴 관측소(우)에서 포착한 중력파 신호의 데이터(맨 위), 파형재건을 통해 얻어진 파형들(두 번째), 데이터와 이론적 파형의 차이값(세 번째), 그리고 이 파형의 시간-주파수 스펙트로그램에 나타난 처프신호(맨 아래) ⓒ PRL 116, 061102(2016)

작성자: khugnews

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