[우주의 중력파] 아인슈타인 주장 '중력파' 탐지…과학사 쾌거

아인슈타인 주장 '중력파' 탐지… 과학사 쾌거

SBS뉴스 l 2016.02.12 07:37

<앵커> 천재 과학자 아인슈타인이 남긴 마지막 수수께끼로 불렸던 중력파가 100년 만에 처음으로 확인됐습니다. 블랙홀과 우주 생성의 비밀을 풀어줄 열쇠로 평가받고 있습니다. 중력파가 무엇인지 워싱턴 김우식 특파원이 전하겠습니다.
<기자> 미 국립과학재단은 이론으로만 존재했던 중력파를 검출했다고 발표했습니다. 지난해 9월 14일 관측된 중력파는 13억 광년 떨어진 곳에서  두 개의 블랙홀이 하나의 블랙홀이 되는 과정에서 만들어진 것이라고 밝혔습니다. 두 블랙홀은 태양 질량의 36배, 29배로 이들이 결합할 때 발생한 중력파가 빛의 속도로 지구를 스쳐 지나갔는데 이 순간을 잡아낸 것입니다.

[라이츠/중력파관측소 책임자 : 아인슈타인이 '일반상대성이론'에서 블랙홀 같은 두 개의 거대한 물체가 소용돌이치며 합쳐질 때 생길 것으로 예견했던 것과 정확히 일치합니다.] 연구진은 미국 워싱턴 주 등 두 곳에 길이 4km의 L자형 진공터널을 만든 뒤, 중력파가 지나가면서 만든 공간의 길이 변화를 통해 그 존재를 확인했습니다. 중력파는 우주에서 갑작스러운 중력 변화가 생길 때 발생해 시공간을 일그러뜨리는 에너지입니다. 아이슈타인이 처음 주장한 뒤 100년 만에 그 실체가 확인된 것입니다. 과학자들은 중력파의 발견은 아인슈타인 이론의 마지막 과제를 푼 것으로 블랙홀과 빅뱅 등 우주의 비밀을 밝히는 열쇠가 될 것으로 기대하고 있습니다.   [김우식 기자 ]   

중력파 발견돼도 '중력자' 정체는 오리무중
SBS | 이상엽 기자 | 2016.02.14. 16:15 | 수정 2016.02.14. 17:15   

현대 물리학 최후의 '비밀 입자'를 찾아라
지난 12일, 미국 국립과학재단의 데이비드 라이츠 박사가 중력파의 검출 성공 사실을 일반에 공개했습니다. 라이츠 박사는 기자회견장에서 들뜬 목소리로 이렇게 말했습니다.

"여러분, 우리가 중력파를 검출했습니다. 우리는 해냈습니다!"
("Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it!")

중력파는 물체가 움직이거나 중력에 변동이 생길 경우, 여기서 발생한 시공간의 요동이 파동(wave)의 형태로 전달돼 사방으로 퍼져나가는 것을 말합니다. 중력파는 중력이 있는 모든 물체에서 발생할 수 있지만, 그 힘이 극히 미약한 관계로 검출이 어려웠습니다. 이번 검출 성공 역시 거대한 천체의 충돌과 융합이라는 '빅 이벤트' 때문에 비로소 가능했습니다. 지구로부터 13억 광년 정도 떨어진 곳에서 태양 질량의 36배, 29배인 두 거대 블랙홀이 하나로 합쳐지면서 태양 질량의 62배인 블랙홀로 바뀌었는데, 36+29=65이니 이 과정에서 소실된 태양 3개 분량의 질량은 빛과 열, 그리고 중력파를 만들어내는데 사용된 것으로 보입니다.

이 때 사방으로 퍼져나간 13억년 전의 중력파가 지구에 도달했고, 지난해 9월 14일 미국 워싱턴 주와 루이지애나 주 두 곳에 설치된 정밀한 검출기(레이저간섭중력파관측소, LIGO)에서 거의 같은 모양의 파형으로 기록되면서 마침내 공식적인 중력파 검출 성공으로 발표되기에 이르렀습니다.

확실히 중력파의 검출은 21세기 현대 물리학의 가장 큰 성취라고 불릴만 합니다. 여기에 비견할 만한 성취라면 지난 2013년 10월 6일 발표된 힉스 입자(힉스 보손)의 발견 정도가 꼽힐 뿐입니다. 더구나 중력파의 검출을 담당하는 관측소들의 정밀도는 앞으로 계속 높아질 것으로 보여, 그리 멀지 않은 미래에는 중력파에 대한 상세한 분석을 바탕으로 블랙홀처럼 보이지 않는 천체들에 대한 질량 분석 등의 연구도 충분히 가능하다는 전망이 나오고 있습니다.

하지만 아직도 많은 의문이 남아있습니다. 중력파는 중력의 변화에 따라 시공간의 왜곡이 전달되는 것이지, 중력을 전달하는 파동으로 보기는 어렵다는 점입니다. 다시 말해, 중력이 작용하는 중력장(gravitational field)의 개념은 우리가 생각하는 전자기장의 개념과는 조금 다릅니다. 중력을 매개하는 존재의 정체가 무엇인지에 대한 궁금증이 남습니다.

지구를 비롯한 여러 행성들과 태양은 중력으로 서로 묶여 태양계를 구성하고, 또 태양계는 수많은 다른 항성계와 더불어 거대한 우리 은하의 일부를 구성합니다. 그 우리 은하 중심부에는 막대한 질량을 가진 블랙홀이 존재해 은하 전체의 중력의 구심점의 역할을 맡고 있습니다. 이 거대한 구조가 한 덩어리로 묶여 있도록 하는 중력의 매개체가 필연적으로 존재해야 한다는 것인데, 물리학에서는 가상의 이 입자를 '중력자'라고 부릅니다.

빛(전자기력)이 광자를 매개로 전달되듯 중력자는 말 그대로 중력을 전달하는 입자입니다. 중력의 작용거리는 무한하기 때문에 이 가상의 입자는 질량이 없고 광속으로 움직여야 합니다. 현대 물리학의 초끈이론에서 이 중력자의 존재가 이론적으로 도출됩니다. 초끈이론에서는 스핀(입자를 몇 바퀴를 돌렸을 때 같은 모양으로 돌아오는지를 나타내는 값)이 2이고 질량이 0인 입자의 존재가 상정되는데, 마지막 빈 자리에 해당하는 이 입자를 중력자라고 보는 견해가 있습니다. 만약 중력자의 존재까지 확인된다면, 힉스 입자에 이어 마지막 보손(boson)에 해당하는 미지의 존재가 제자리를 찾는 것이니, 그야말로 물리학 최후의 '비밀 입자'라고 부르기에 모자람이 없습니다. 하지만 아직까지 가상의 입자인 이유는, 중력자를 찾기 위한 조건이 너무나 까다롭기 때문입니다.

우주를 지배하는 4가지 힘, 즉 전자기력과 강력, 약력, 그리고 중력 가운데 중력은 가장 약한 힘입니다. 이번에 발견된 중력파는 물질과의 상호작용을 거의 하지 않았기 때문에 검출하기 위해 길이 4km나 되는 거대한 진공터널이 필요했습니다. 이렇게 상호작용을 하지 않는 중력파가 거대한 은하단을 끌어당긴다고 보기에는 힘의 스케일의 차이가 너무나 큽니다. 이번에 발견된 중력파가 중력자와 같다고 보기 어려운 가장 큰 이유입니다. 이 밖에도 중력파와 중력자가 같지 않다는 '심증'을 보여주는 정황들이 더 있지만, 지나치게 복잡해지기 때문에 생략하겠습니다.

그렇다면 중력자를 찾는 작업은 어떻게 이뤄질 수 있을까요? 현재로서는 막막할 뿐입니다. 중력자의 질량을 0으로 보는 것이 정확하겠지만, 최근 연구에 따르면 중력자의 질량에 대한 상한선만은 나와있는 것으로 알려졌습니다. 이른바 '무거운 중력자 이론'입니다. 서울대 물리천문학부 이형목 교수에게 문의한 결과, 그 값은 질량이 매우 작기로 유명한 소립자인 중성미자(뉴트리노)의 질량 상한선과 비교해도 약 10의 20승(100000000000000000000)분의 1 정도에 불과하다고 합니다. 그러니 얼마나 작은 값일지 상상이 가지 않습니다(그러나 이 작은 값에 물리학자들은 재미있게도 '무거운'이란 수식어를 붙였습니다).

따라서 이렇게 작은 입자를 찾기 위한 정밀도가 가장 큰 관건입니다. 중력자의 직접적 관측에 대해서는 그 가능성에 의구심을 표시하는 학자들도 있습니다. '최후의 입자'에 도달하기 위해서는 그만큼 큰 대가를 치러야만 한다는 것이겠지요. 다만 '무거운 중력자 이론'은 지구와 달의 세차운동에서 발생하는 미세한 중력장의 차이를 계산해 기존이론에서 예측된 값과 비교하는 방법으로 검증이 가능합니다. 과거 아폴로 우주인이 달에 두고 온 반사경을 향해 지구에서 레이저를 쏘아 되돌아오는 시간을 높은 정밀도로 계산해서 그 차이를 분석할 수 있습니다. 이같은 방법을 통해 중력자의 질량에 대한 약간의 실마리라도 얻게 된다면 또 한 번 의미 있는 성과가 될 것으로 보입니다. 중력자에 대한 연구는 이제부터가 시작입니다.[이상엽 기자science@sbs.co.kr]

'아인슈타인이 옳았네' 중력파 탐지 문답풀이
연합뉴스 2016.02.12 11:28

중력파는 '시공간 물결'…블랙홀도 관측할 새 장 개막
11일(현지시간) 중력파 직접 탐지에 성공했다는 발표가 전해지자 세계 과학계는 흥분의 도가니에 빠졌다. 이번 발견은 최고의 이론 물리학자로 불리는 알베르트 아인슈타인이 100년 전 예측했으나 검증되지 않은 마지막 과제였다. 그런 배경에서 이번 연구 결과는 '인류 과학사의 쾌거' '천문학의 대변혁'으로 평가됐다. 나아가 연구를 주도한 미국 국립과학재단(NSF) 등의 학자들은 노벨 물리학상을 받을 유력한 후보로 단숨에 뛰어올랐다. 중력파가 도대체 무엇인지, 그리고 이번 중력파 탐지가 왜 중요한 의미를 지니는지 이번 발표를 둘러싼 궁금증을 문답 형식으로 풀어본다.

'중력파'란 무엇인가?

▲ 중력파를 한마디로 정의하면 '중력에 따른 시공간의 물결'이다. 연못에 돌을 던지면 동심원을 그리며 물결이 퍼지듯 질량을 가진 물체로 인해 시공간이라는 연못에 생기는 물결인 것이다. '시공간'(spacetime)은 3차원의 공간에 시간을 더한 사차원의 세계로, 천문학자들이 우주를 인식하는 방식이다. 중력이나 중력파를 설명하기 위해서는 종종 시공간을 트램펄린으로, 질량을 가진 물체는 트램펄린 위에 떨어진 볼링공으로 비유하기도 한다. 볼링공은 트램펄린 한가운데 떨어지며 트램펄린을 휘어지게 하는데 이것이 중력이고, 이로 인해 생기는 트램펄린의 파장이 중력파인 셈이다. 초신성 폭발이나 쌍둥이 별의 움직임 등이 볼링공이 떨어지는 것 같은 작용을 하면서 중력파를 발생시키는데, 중력파를 유발하는 물체의 질량이 클수록 중력파의 크기도 크고, 그만큼 관측하기 쉬워진다.

아인슈타인이 예측했다던데...

▲ 알베르트 아인슈타인은 1916년 일반상대성이론에서 중력파의 존재를 예측했다. 일반상대성이론에서 아인슈타인은 중력의 정체를 '시공간의 뒤틀림'으로 파악했고, 중력장에 따른 파동인 중력파도 존재할 것으로 추정한 것이다. 그러나 중력파가 극히 미세한 탓에 아인슈타인 자신도 중력파가 탐지될 수 있을지에 회의적이었다.

중력파는 아인슈타인의 이론 가운데 100년이 지나도록 검증되지 않은 마지막 과제이기도 했다. 그의 주장 가운데 지구 표면 등 중력이 강한 곳으로 올수록 시간의 흐름이 더뎌진다는 것이나 중력에 의해 빛이 휜다는 것, 우주가 끊임없이 팽창하고 있다는 것 등은 모두 과학적으로 입증됐다.

이번에 정말 처음으로 확인된 것인가?

▲ 앞에 언급했듯이 중력파의 크기가 극히 미세한 탓에 탐지하기가 쉽지 않다. 이번에 관측된 중력파도 진동수 범위는 30∼150㎐, 최대 진폭은 10의 21거듭제곱분의 1로, 1광년 길이에 머리카락 하나 굵기 정도의 엄청나게 미세한 변화 수준이다. 그렇기 때문에 지금까지는 중력파의 존재가 '간접적으로' 확인되는 데 그쳤다. 1970년대와 1980년대 조지프 테일러 프린스턴대 명예교수와 러셀 헐스 댈러스 텍사스대 교수가 서로의 주위를 도는 '쌍성펄서(binary pulsar)'를 발견함으로써 중력파의 존재를 간접 입증했고, 1993년 노벨 물리학상을 수상했다. 지난 2014년에는 하버드-스미스소니언 천체물리센터 '바이셉'(BICEP) 연구진이 남극 하늘에서 초기 우주 팽창에 따른 '최초 중력파'를 발견했다고 발표했으나 얼마 후 이것이 우주먼지로 인한 오류일 가능성이 크다는 분석이 나오기도 했다.

어떻게 탐지했나?

▲ 이번에 탐지된 중력파는 약 13억 년 전에 각각 태양 질량의 36배, 29배인 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성이 충돌해 합쳐지는 과정에서 약 0.15초간 발생한 것이다. 국내 연구진도 포함된 13개국 협력연구단인 라이고과학협력단(LSC)은 고급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO)를 중심으로 매우 정밀한 레이저 측정장치를 활용해 중력파 검출에 나섰다. 라이고 실험의 핵심은 레이저를 서로 수직인 두 방향으로 분리시켜 보낸 뒤 반사된 빛을 다시 합성해 경로 변화를 측정하는 방식으로 시공간의 뒤틀림을 측정하는 것이다. 중력파로 인한 매우 미세한 거리 변화를 탐지하기 위한 것이기 때문에 측정 설비 자체도 매우 정밀하게 설계됐고, 오류를 피하기 위해 3천㎞가량 떨어진 두 곳에 검출기 두 곳을 설치한 뒤 동시에 가동했다. 연구진이 중력파를 처음 검출한 것은 지난해 9월 14일로, 이후 이번 발표까지 여러 차례 자체 검증 작업을 거쳤다.

이번 탐지가 왜 이렇게 중요한가?

▲ '최초의 중력파 탐지'는 이론으로만 존재하던 아인슈타인의 주장을 직접 확인했다는 데에도 의의를 갖지만 앞으로 천문학에 새로운 지평을 열었다는 점에서 무엇보다 큰 의미를 지닌다. 맨눈으로만 천체를 관측하던 시대에서 '망원경 천문학' 시대와 전자기파로 체를 탐색하는 '전파 천문학'의 시대를 거쳐 '중력파 천문학' 시대가 열리게 되는 것이다. 지금까지 전자기파를 통한 천체 관측에는 한계가 있었다. 가령 블랙홀의 경우 밀도가 매우 높고 중력이 너무나 크기 때문에 그로부터 일정 반경 이내에서는 전파조차 탈출할 수 없어 전파망원경으로도 관측이 불가능했는데 중력파로는 관측이 가능해진 것이다.

중력파 최초 탐지 이후에는?

▲ 중력파의 추가 발견은 앞으로도 이어질 수 있다. AP통신은 앞으로 많으면 한 달에 몇 차례씩, 적어도 1년에 몇 차례씩 중력파가 발견될 수 있다고 내다봤다. 특히 우주 대폭발로 인한 중력파인 이른바 '최초 중력파'가 발견되면 빅뱅의 비밀을 푸는 데 중요한 단서가 될 수 있다. 이를 위해서는 중력파 검출 기술의 고도화가 선행돼야 한다. 이번 연구를 바탕으로 중력파 천문학 발전이 급물살을 타면 그동안 풀리지 않았던 우주의 신비들이 하나씩 밝혀지는 것도 기대할 수 있다.  (연합뉴스)
  

스티븐 호킹, 중력파 탐지 성공에 "40년 전 내 말이 맞았다"
연합뉴스 : 2016.02.12 10:52
  

스티븐 호킹 /연합뉴스

"천문학에 일대 변혁…내 블랙홀 이론 생전에 입증돼 기뻐"

스타 이론물리학자 스티븐 호킹(74) 영국 케임브리지대 교수가 중력파 직접 탐지 소식에 40년 전 자신의 블랙홀 이론이 입증됐다며 크게 환영했다고 11일(현지시간) 일간 가디언 등이 보도했다. 호킹 교수는 이날 미국 과학재단(NSF)·고급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO) 연구팀의 중력파 탐지 성공이 천문학에 대변혁을 일으킬 역사적 사건이라고 자신의 페이스북 등을 통해 평가했다. 케임브리지대 응용수학·이론물리학 연구소장으로 있는 그는 "중력파는 우주를 보는 완전히 새로운 방식을 제공했다"면서 "그러한 중력파를 탐지할 수 있는 능력은 천문학에 일대 혁신을 불러오게 될 것"이라고 말했다. 호킹 교수는 이어 "이번 발견은 또한 블랙홀 쌍성을 처음으로 발견하고 두 블랙홀의 충돌을 최초로 관찰했다는 점에서 의미가 있다"고 강조했다.

호킹 교수는 특히 자신이 과거에 내놓은 블랙홀 관련 이론이 이번 중력파 탐지 성공으로 입증됐다며 기뻐했다.

그는 "이번에 관측된 블랙홀 체계의 성질은 내가 1970년 케임브리지대에서 내놓은 예측과 일치한다"며 흥분을 감추지 않았다. 호킹 교수는 "(합쳐지기 전) 초기 단계 블랙홀들의 면적을 합친 것보다 (합쳐져 하나가 된) 최종단계 블랙홀의 면적이 더 크다는 블랙홀 면적 이론이 그것이다"라고 설명했다. 호킹 교수는 1970년대에 발표한 일련의 연구 결과를 통해 기존 관점을 뒤엎고 블랙홀이 엄청난 에너지를 방출하면서 소멸할 수 있다는 이론을 제시해 주목받았다. 호킹 교수는 이번 중력파 탐지 이후 과학자들이 무엇을 더 알아낼 수 있을지에 대해 "우리는 우주 전체의 역사를 훑어가며 블랙홀을 관찰하게 될 것이다"라며 "심지어 우주가 처음 만들어진 '빅뱅' 때의 유물을 관찰할 수도 있을 것"이라고 기대했다.  (서울=연합뉴스/사진=게티이미지)