아인슈타인 중력파 100년 만에 탐지 성공

알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 100년 전에 이론적으로 제시했던 ‘중력파’가 100년이 지난 최근 ‘중력파(gravitational waves)를 직접 탐지’하는데 성공을 해 천문과학계가 흥분하고 있다. 우주의 비밀을 풀 수 있는 단초가 생겨났다는 것이다.

이번 ‘중력파’확인은 지난 2012년 ‘신의 입자(God particles)'로 불리는 ’힉스입자(Higgs boson)' 발견 이상의 업적으로 평가된다고 과학자들은 말하고 있다.

스티브 호킹(Stephen Hawking) 박사는 “이번 중력파 확인은 우주를 바라보는 새로운 방식을 완전하게 마련해 주는 것이며, 천문학의 혁명적인 잠재력을 보여 주는 것”이라고 극찬했다고 영국의 비비시(BBC)방송은 전했다.

미국의 과학재단(NSF=National Science Foundation)와 고급 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO=Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, 라이고)의 연구팀은 11일(현지시각) 워싱턴 외신기자클럽에서 가진 기자회견에서 “공간과 시간(Space and Time)을 일그러뜨리는 것으로 믿어지고 있는 ‘중력파’의 존재를 직접 측정 방식으로 탐지에 성공했다”고 발표했다. 지금까지 중력파의 증거는 발견한 적은 있지만, 직접 중력파 존재 사실을 확인한 것은 인류 역사상 처음이다.

LIGO 연구팀은 “레이저를 서로 수직인 두 방향으로 분리시켜 보낸 후 반사된 빛을 다시 합성해 경로 변화를 측정하는 방식으로 시공간의 뒤틀림을 측정했다”고 설명했다.

이 중력파는 지금으로부터 100년 전이 1926년 아인슈타인이 ‘일반상대성이론’으로 예측한 것을 관측으로 입증을 해낸 것은 우주 탄생의 비밀을 푸는데 결정적인 역할을 할 수 있을 것이라는 기대가 매우 크며, 현재 우리시대의 과학 발견 가운데 가장 큰 것 중의 하나로 평가되고 있다.

빛의 속도로 전파되는 ‘중력파’는 태양 질량의 36배와 29배인 블랙홀(black holes) 두 개로 이뤄진 쌍성이 지구로부터 13억 광년 떨어져 있는 곳에서 충돌해 합쳐지는 과정에서 나오는 것이다. 다시 말하자면 이번 중력파 확인은 13억 년 전에 발생한 것이 이번에 확인 된 것이라는 설명이 된다.

이번 확인된 발견된 중력파는 두 개의 블랙홀이 중력파를 발생하면서 접근, 충돌하기 직전 약 0.15초간 방출된 것으로 연구팀은 추정했다.

이번 중력파 발견은 미국 남부 리빙스턴 검출기가 태평양 연안의 북부 핸퍼드(Hanford)의 검출기보다 0.007초 빨리 신호를 포착, 중력파가 지구 남반구 쪽에서 왔음을 알 수 있다. 특히 LIGO연구팀의 이번 중력파 확인은 △ 최초로 중력파를 직접 검출한 사례라는 점 △ 최초로 두 개의 블랙홀 쌍성계의 존재를 확인하고 △ 블랙홀의 충돌과 합병과정이라는 극적인 현상을 기록할 수 있었다는 점에 있어 커다란 의미가 있는 것으로 평가되고 있다.

LIGO(라이고)팀은 지난해 9월 12일부터 16일 동안 1차 관측을 시작했고, 이 과정에서 수집된 데이터에서 중력판 확인을 할 수 있었다.

라이고 연구팀이 중력파를 검출한 시간은 지난해 9월 14일 미국 동부 일광시간(EDT)인 오전 5시 51분, 국제 표준시로는 오전 9시 51분, 또 한국 시간으로는 오후 6시 51분이다. 이 시간은 천문과학 역사상 가장 위대한 발견 가운데 하나의 시간을 기록되기에 충분한 의미가 있다.

이번 연구 논문은 미국 물리학회에서 발행하는 물리학계 최고 권위를 자랑하는 “피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)"에 게재될 예정이며, 이런 사실은 워싱턴 기자회견과 함께 온라인으로 공개됐다.

LIGO연구는 지난 1980년대에 라이너 와이스 매사추세츠공대(MIT)명예교수, 킴 손 캘리포니아공과대학(칼텍) 명예교수, 로널드 그레버 명예교수의 의해 중력파를 검출하는 수단으로 처음 제안된 것으로 알려졌으며, 이 가운데 킵 손 교수는 영화 ‘인터스텔라’의 과학자문을 맡은 적도 있다.

이번 연구가 과학계에서 널리 수용되기 시작하면, 노벨물리학상의 유력한 후보로 떠오를 것으로 보인다.

LIGO연구팀은 “빛의 속도의 1/2에 가까운 속도로 충돌한 두 개의 블랙홀이 태양 질량의 62배인 하나의 블랙홀로 변했고, 이렇게 변하는 과정에서 태양의 3배 질량의 중력파 에너지로 빠져 나가 소멸됐다”고 설명했다.

연구팀은 이어 “가장 강도가 높았을 때 중력파로 방출되는 시간당 에너지는 관측 가능한 우주의 빛을 모두 합한 것의 50배에 이르는 것으로 추정했다. 관측 통계의 신뢰도는 5.1시그마(σ) 이상으로 잡음에 의해서 우연하게 이러한 신호가 포착될 확률은 500만 분의 1 이하에 해당한다고 전했다.

연구팀은 또 이번에 관측된 중력파의 진동수 범위는 30~150헤르츠(Hz)로 소리로 변환할 경우 사람이 들을 수 있는 저음에 속하며, 최대 진폭은 10의 21거듭제곱분의 1로, 이는 1광년의 길이에 머리카락 하나 굵기 정도 수준의 엄청나게 미세한 변화가 생기는 데 해당한다고 덧붙였다.

참고로 관련 홈페이지는 LIGO: https://www.ligo.caltech.edu/이다.