두 개의 블랙홀이 충돌할 때 발생한 중력파를 컴퓨터 시뮬레이션으로 잡은 것.(출처/MPI )


지난 2월 11일 최초로 중력파 검출에 성공했다는 뉴스는 지구촌 사람들을 환호하게 했다. 알베르트 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 시공간의 주름인 중력파가 있을 거라고 예언한 지 꼭 100년 만에 중력파를 발견하게 된 이 희한한 우연을 우리는 어떻게 생각해야 할까?

왜 그처럼 환호했던 것일까? 그리고 이 난해한 파동을 발견한 LIGO는 이제 무슨 일을 하게 되는 걸까?​

이번에 검출된 중력파는 두 개의 블랙홀이 서로의 둘레를 돌다가 마침내 충돌, 합병했을 때 발생된 것이다. 이 중력파를 잡은 것은 미국 워싱턴주와 루이지애나주에 설치된 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)로서, 지난해 9월 14일이었다.

​무엇보다 먼저 놀라운 것은 블랙홀 충돌이라는 사건이었다. 사실 과학자들은 블랙홀이 충돌하여 더 큰 블랙홀을 만들어낼 것인가에 대해서도 확신을 하지 못하던 터였다. 그런데 이제 그 물증을 확보하게 된 셈이다. 그리고 100년 전 아인슈타인이 예언했던 중력파 존재를 레이저 간섭계로 최초로 확인했다는 기쁨이 무엇보다 큰 것이다.

두 블랙홀의 충돌이 만들어낸 중력파의 상상화. 미스터리로 남아 있는 초기 우주의 비밀을 중력파가


중력파 발견, 어떤 의미가 있는가?

중력파 검출이 인류에게 있어 어떤 의미를 갖는 걸일까? 한마디로, 기념비적인 의미를 갖는다고 할 수 있다. 왜냐면, 인류가 우주를 들여다보는 전혀 다른 창을 마련한 셈이라고 과학자들은 말한다.

거대 질량의 천체들이 우주공간에서 가속 또는 감속될 때 발생시키는 중력파를 직접적으로 검출할 수 있는 능력은 귀머거리가 갑자기 소리를 들을 수 있게 된 것에 비유할 수 있다. 전혀 새로운 정보 영역이 인간의 지각 범위 안으로 편입된 것이다.

"그것은 마치 갈릴레오가 처음 망원경으로 우주를 들여다본 것과 같다"고 LIGO 연구원 바실리키(비키) 칼로게라 노스웨스트 대학 천체물리학과 교수가 스페이스닷컴에 밝혔다.

"우리는 말하자면 우주로부터 오는 정보를 보고 듣는 새로운 눈과 귀를 얻게 된 것입니다. 이전에는 이런 기술이 전혀 개발되지 않았죠."

LIGO 책임 연구원인 데이비드 라이체 캘리포니아 공대(칼텍) 교수는 워싱턴 D.C.에서 열린 기자회견에서 "우리는 지금까지 중력파에 관한 한 귀머거리였다"면서 "앞으로의 과제는 더 많은 중력파를 잡아 우리가 기대했던 결과를 얻어내는 것이며 이전에는 결코 알 수 없었던 사실들을 알 수 있게 될 것"이라고 기대감을 나타냈다. 중력파를 검출할 수 있게 됨으로써 인류는 우주를 인식할 수 있는 또 다른 감각기관을 갖추게 된 것이다.

LIGO는 블랙홀들의 충돌이나 초신성 폭발 같은 격렬한 우주적 사건에서 발생하는 중력파를 검출할 수 있는 대단히 민감한 장비이다. 중력파 관측소는 이러한 천체나 사건들이 일어나는 장소를 광학 망원경보다 먼저 파악할 수 있으며, 어떤 경우에는 그 같은 우주적 사건을 발견하고 연구할 수 있는 유일한 방법이 바로 중력파 관측이라 할 수 있다.

예컨대 이번에 발견된 블랙홀 충돌은 가시광선으로는 결코 발견할 수 없는 사건이다. 왜냐하면 블랙홀이란 이름 그대로 빛을 내지 않는 물체이기 때문이다. 이럴 경우에는 오로지 중력파로만 그 존재나 사건을 확일할 수 있을 뿐이다.

그러나 광학 망원경으로 볼 수 있는 블랙홀들이 더러는 있다. 블랙홀이 주변의 무섭게 빨아들이는 물질이 복사를 내는 경우가 있기 때문이다. 하지만 과학자들은 아직까지 복사를 내면서 합병하는 블랙홀을 관측한 사례는 없다.

이번에 LIGO가 발견한 블랙홀들은 각각 태양질량의 29배, 36배였다. 라이체 박사는 앞으로도 LIGO의 민감도 개선작업은 계속 이루어질 것이라고 밝히면서 더 먼 거리에 있는 태양질량의 100배, 200배, 또는 500배 이상의 블랙홀들도 포착할 수 있을 거라고 전망했다. "이제 우리는 우주의 창을 활짝 열어젖힌 셈이며, 멋진 발견들이 이루어질 것이다."

태양 질량에 의해 휘어진 시공간을 시각화한 그림. 공간의 곡률은 물체에 의해 결정되고, 물체는 그

우주를 들여보는 새로운 창​

각기 다른 빛의 파장을 이용한 관측 연구는 우주의 새로운 정보를 알려줄 것이라는 사실을 과학자들은 일찍부터 알고 있었다. 지난 몇 세기 동안 천문학자들은 오로지 가시광선으로 보는 광학 망원경에 의존해 우주를 들여다볼 수밖에 없었다. 비교적 최근에 이르러서야 연구자들은 X-선과 라디오파, 자외선과 감마선 등을 이용한 연구를 시작했을 따름이다. 과학자들은 이렇게 우주를 들여다보는 창들을 차례대로 확장해온 것이다.

중력파의 발견은 이처럼 확장 일로를 걸어온 우주의 창에 전혀 새로운 신기원을 연 셈이다. "만약 우리은하나 이웃 은하 안에서 초신성이 터지는 행운을 잡을 수 있다면 초신성 내부에서 어떤 다이내믹한 일들이 일어나고 있는가를 손바닥 들여다보듯이 볼 수 있을 것"이라고 LIGO의 공동 설립자인 MIT의 라이너 바이스 박사가 말했다. 빛은 성간 먼지나 가스에 의해 차단되는 수가 있지만, 중력파는 그 무엇으로도 차단할 수 없는 것이기 때문이다.

​과학자들이 이 중력파로 가장 연구하고 싶어하는 대상 중 하나는 상상을 초월할 정도로 밀도가 높은 중성자별이다. 다 타고 남은 별의 시체라 할 수 있는 이 중성자별은 별 전체를 하나의 거대한 원자핵으로 볼 수 있는 초고밀도의 존재로, 차숟갈 하나만큼의 질량이 무려 천만 톤이나 된다.

이 같은 극한의 환경 속에서 일반 물질이 어떻게 될 것인지, 과학자들은 거의 아는 것이 없다. 그러나 중력파는 중성자별의 정보를 아무런 왜곡 없이 알려줄 것으로 과학자들은 기대하고 있다.

중력파 발견이 우리 생활에 미치는 영향

중력파의 존재는 딱 100년 전인 1916년에 출판된 아인슈타인의 일반상대성 이론에서 최초로 예언되었다. 이 유명한 이론은 그후 모든 종류의 과학적 검증을 통과했다.

그러나 중력파 가설만은 미확인의 영역에 계속 남아 있었다. 극한 상황에서 발생하는 이 중력파를 현실세계에서는 검증해볼 방법이 없었기 때문이다. 엄청난 질량의 천체들이 충돌하거나 폭발하는 경우에서만 시공간의 주름인 중력파가 발생할 거라고 아인슈타인이 예언했던 것이다.

"지금까지 우리는 아주 고요한 상태의 주름진 시공간만을 보아왔다. 그것은 마치 바람 없는 날 잔잔한 바다를 보는 것과 같은 상황이다."

영화 '인터스텔라'의 자문을 맡은 물리학자이자 주름진 시공간 전문가인 칼텍의 킵 손이 설명한다.

"하지만 태풍이 불면 바다는 집채만한 파도를 만듭니다. 이번에 중력파를 검출한 것은 블랙홀 충돌이라는 우주의 태풍이 시공간에서 일으킨 파도를 본 것이나 같습니다. 이 중력파 검출은 아인슈타인의 중력이론을 멋지고 강력하게 입증해주었습니다. 아인슈타인은 옳았던 것이죠."

​그러나 이번 중력파 발견으로 일반상대성 이론에 대한 연구가 완결되었다고 보기는 어렵다. 여전히 질문은 남아 있다. 광자가 전자기파의 에너지를 전하는 것처럼 중력을 매개한다고 알려진 중력자의 존재는 여전히 발견되지 못하고 있다. 그래서 과학자들은 블랙홀 내부를 주시하고 있다. 그 안에서 일어나는 어떤 사건들이 이러한 의문에 답을 줄 수 있지 않을까 기대하고 있는 것이다.

그러나 LIGO와 그 연계된 장비들이 앞으로 더 많은 데이터들을 수집할 때 이러한 연구도 진척될 것으로 보이는만큼 오랜 시간이 걸리는 작업이 될 것이다.

중력파 발견이 과학계를 넘어 우리의 일상생활에 어떤 영향을 미치게 될까? 이에 대해서는 예단하기 어렵다. 100년 전 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 확립하고, 중력이 시간에 미치는 영향을 얘기했을 때, 그것이 우리 생활에 어떤 영향을 미칠 것인가에 대해 진정으로 이해한 사람은 아무도 없었다.

그러나 그의 중력이론은 오늘날 우리에게 필수품이 되다시피한 내비게이션에 적용되고 있다. 내비게이션으로 어떤 곳의 위치를 알기 위해서는 GPS 인공위성의 시계와 지구에 있는 시계가 정확히 일치해야 한다. 특수상대성 이론에 의하면, 빠르게 움직이는 물체에게 시간은 느리게 가며, 일반상대성 이론에 의해 중력이 강한 곳에서도 시간은 느리게 간다.

위성은 지표면 위 2만km 높이에서 시속 1만 4000km 속도로 지구 주위를 돈다. 계산에 의하면 위성에서는 속도에 의해 매일 7ms(밀리초, 1ms=1,000분의 1초)씩 시간이 느려지는 반면, 약한 중력에 의해 45ms 더 빨라진다.

따라서 특수상대성 이론과 일반상대성 이론의 두 가지 효과를 같이 고려하면, 결국 위성의 원자시계는 지표면보다 38ms 빨리 가게 된다. 즉 한 달에 약 1초 이상의 오차가 생긴다. 이것을 시속 100km 속도로 움직이는 자동차에 비유한다면 원래 위치에서 약 30m 거리를 벗어나게 된다.

이 시간차를 보정해주지 않으면 내비게이션은 무용지물이 된다. 아인슈타인의 상대성 이론이 당신과 얼마나 밀접한 관련을 맺고 있는가는 이로써 알 수 있을 것이다.

물리학자 킵 손은 중력파 발견의 의미를 다음과 같이 조심스레 평가한다.

"우리가 르네상스 시대를 회상하며, 그 시대 사람들이 우리에게 어떤 귀중한 것을 남겨주었나 자문해본다면, 그것은 위대한 미술과 건축, 그리고 음악이었다고 말할 수 있을 것입니다. 이와 같이 우리의 후손이 우리 시대를 회상하며 위대한 유산이 무엇인가 생각할 때, 우주의 근본 법칙과 그 법칙이 작동하는 방법, 그리고 우주에 대한 끝없는 탐구정신이라고 평가할 것이라고 믿습니다."

"중력파 발견과 LIGO의 업적은 어떤 과학적 발견에 뒤지지 않는 문화적 선물입니다. 미래 세대에 남기는 우리의 유산에 대해 우리는 자부심을 느껴도 좋을 것입니다."

이광식 통신원 joand999@naver.com

서울신문