【정견뉴스】
지구에서 1억 3천만 광년 떨어진 곳에서 두 개의 중성자별이 서로 가까워지다가 마침내 맹렬하게 충돌하여 합쳐지는 순간, 두 개의 낡은 중성자별은 사라지고 새로운 생명이 탄생함과 동시에 일련의 우주 시공간 잔물결이 발생했다. 이 그림 같은 순간은 2017년 8월 17일 지구 시간에 일어났다. 미국 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 월요일(10월 16일), 올해 8월 쌍중성자별 합병으로 발생한 신형 중성자별 중력파를 탐측했다고 발표했다. 이는 인류가 쌍중성자별 합병에서 발생한 중력파를 최초로 탐측한 것일 뿐만 아니라, 인류가 동일한 천체 현상에서 비롯된 중력파와 전자기파를 동시에 관측한 최초의 사례로, 아인슈타인의 상대성 이론에 담긴 관점을 다시 한번 입증했다.
별들의 신구 교체라는 격렬한 상호작용 속에서, 그중 일부분의 시공간 잔물결(중력파)이 우주 공간을 끊임없이 가로질러 1억 3천만 광년의 여정 끝에 마침내 지구에 도달했다. 지구 한쪽에서 기다리던 과학자들은 기기 주파수 대역 내의 중력파 국부 잔해를 수신하고는 놀라움과 기쁨을 감추지 못했다. 중성자별은 우주에서 여러 차례 재조합을 거듭해 왔지만, 전자기파 망원경과 중력파 탐측기가 없었던 과거의 인류는 마치 귀머거리이자 소경과 같아서 볼 수도 들을 수도 없었다.
당시 캘리포니아주립대학교 산타크루즈 캠퍼스의 천문학자 라이언 폴리(Ryan Foley)가 이끄는 연구팀은 이 충돌 현상을 긴장 속에 관측하고 있었는데, 충돌 과정에서 한 줄기의 밝은 푸른빛이 순식간에 붉은색으로 잦아드는 모습을 목격하고는 즉시 그 순간을 촬영했다.
“이 빛을 볼 때 당신의 심경은 매우 복잡해지며, 행복과 기쁨을 느끼다가 난데없이 절망감에 휩싸이게 됩니다. 온 세계의 무게를 고스란히 느낄 수 있지요.” 폴리의 말이다.
중력파란 무엇인가
중력파를 알기 쉽게 설명하자면, 마치 연못에 돌멩이를 던졌을 때 일어나는 잔물결과 같다. 다만 중력파는 시공간의 잔물결이라는 점이 다르다. 즉, 우주 속에서 항성 폭발이나 블랙홀 충돌처럼 격렬한 변화가 일어날 경우 모두 중력파가 발생하게 된다.
이 연구는 미국의 ‘레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)’와 유럽의 ‘처녀자리(Virgo)’ 중력파 탐측기가 주도하고 전 세계 다른 70개의 지상 및 우주 망원경이 공동으로 완성했다.
과학자들의 연구 결과는 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 학술지에 발표되었으며, LIGO-Virgo와 기타 천문학자들이 공동 집필한 관련 시리즈 논문 역시 《천체물리학 저널 레터스(Astrophysical Journal Letters)》와 《네이처(Nature)》에 채택되었다.
신형 중력파가 이뤄낸 세 가지 돌파
첫째, 인류가 중성자별의 합병 속에서 중력파를 탐측한 것은 이번이 사상 최초다. 2015년 9월 14일 과학자들이 처음으로 중력파 신호를 탐측한 이래, 과학자들은 차례로 네 차례의 중력파 신호를 탐측해 왔으나 모두 두 블랙홀의 합병에서 비롯된 것들이었다. 이번 탐측은 두 개의 중성자별 합병에서 비롯된 것이다. 두 중성자별의 질량은 각각 태양 질량의 1.1배와 1.6배이며, 지구와의 거리는 약 1억 3천만 광년이다.
LIGO 프로젝트 팀원이자 아메리칸 대학교의 천체물리학자인 그레고리 해리는 이전에 관측된 중력파는 모두 블랙홀에서 온 것이라고 밝혔다. 블랙홀은 완전히 왜곡된 시공간으로 이루어져 있어 본질적으로 물질이 없지만, 중성자별은 실질적인 천체이기 때문에 핵물질의 행태를 깊이 있게 이해할 수 있게 해 준다.
둘째, 인류가 중력파 및 그에 수반되는 전자기 신호를 동시에 관측한 것은 이번이 처음이다. 전자기파란 바로 빛이다. 알기 쉽게 말하자면, 이전에 발견된 네 차례의 중력파는 모두 ‘들리기만’ 했을 뿐이고 지속 시간도 1초가 안 될 정도로 매우 짧았다. 비록 중성자별 합병으로 발생한 신호는 1분 동안 지속될 수 있었지만, 인류는 동력파가 도대체 어떤 ‘모습’인지 볼 수가 없었다. 다섯 번째로 새로 발견된 중력파는 ‘소리’로 들었을 뿐만 아니라, 천문 망원경을 통해 확실하게 ‘볼’ 수도 있었다.
셋째, 과학자들은 중성자별이 합병할 때 대량의 무거운 원소가 생성된다는 사실을 입증했다. 이번에 단순하고도 격렬한 충돌과 재조합을 거치면서, 과학자들은 이 과정에서 다량의 무거운 원소가 생성되었다는 사실도 함께 발견했다.
“우주를 관측하는 창문을 열다”
인류가 이번에 신형 중력파를 발견한 것은 중대한 의의를 지닌다. 중성자별은 블랙홀보다 질량이 작고, 발생하는 중력파의 에너지가 더 작으며, 신호 감쇠 시간은 더 길다. 따라서 중성자별 합병으로 발생하는 중력파 신호를 탐측하는 것은 아인슈타인의 상대성 이론이 예측한 중력파를 더욱 정밀하게 검증할 수 있을 뿐만 아니라, 중성자별의 기원을 연구하는 데 더 많은 단서를 제공해 준다.
게다가 이전의 천문학자들은 오직 전자기파를 통해서만 관측을 진행할 수 있었지만, 많은 물질은 전자기파로 관측할 수 없었다. 이제 중력파를 측정해 낸 이상, 중력파를 매개로 블랙홀, 암흑물질 등 천체를 관측하여 우주 초기 구조와 진화를 연구할 수 있게 되었다.
미국 노스웨스트 대학교(Northwestern University)의 천문학자 셰인 라르슨(Shane Larson)은 중력파 천문 관측은 일반적인 천문 망원경 관측 방법이 아니며, 사람들에게 우주를 관측할 수 있는 새로운 창문을 열어줄 것이라고 밝혔다.