제 1 부. 중력파란 무엇인가?

중력파는 중력을 느끼는 물질(질량을 가진 물질)이 가속도 운동을 할때 생겨나는 파동입니다. 아인슈타인의 관찰로 보면 그런 질량을 가진 물질이 움직이면 시공간의 왜곡이 생겨 파동이 생겨나는 겁니다. 그게 물결처럼 전파되는 거지요. 전자기파가 대전된 입자가 가속운동을 할때 발생하는 것과 동일합니다.

중력파는 아인슈타인의 일반상대성이론에서 처음 유도되었습니다. 그리고 그 실험적 발견은 아직 진행중입니다. 이 발견이후 실험적 증명이 거의 100년가까이 되었는데도 입증이 못된건 다 이유가 있습니다. 매우 미약하기 때문이에요. 얼만큼 약하냐면, 이론적 계산에 의하면 태양질량의 1.4배인 중성자 별 두개가 회전할때 내는 중력파의 세기가 대략정도입니다. 그만큼 약해서 감지하기 어렵다는 겁니다. 이 세기가 어느정도인가 하면 태양지름이 약m, 수소원자의 크기가m 이니까 대략 정도 나오죠. 즉, 태양지름반한 물체가 수소원자만큼 움직이는 정도의 세기란 말이죠. 다시 예를 들어보면요. 지구에서 가장 가까운 알파센타우리 별(4.3광년정도)에 어떤 행성에 외계인이 산다면 그리고 그 외계인의 머리카락이 대략 지구인 정도 된다면... 이정도죠. 즉, 4.3광년 떨어진 별에 사는 외계인의 머리카락 두께를 감지하는 정도죠. 이정도로 약하기 때문에 검출이 어려운겁니다. 따라서 사람같은 정도에 물질이 움직일때도 중력파는 나오지만 거의 없다고 봐야하죠. 이걸 알아보기 위해서는 진짜로 무거운 별들이 충돌, 블랙홀들이 충돌하거나, 빅뱅과 같은 정도의 우주적인 이벤트에서 나오는 중력파만이 검출할 수 있는 정도입니다.

그럼 그렇게 약한게 진짜 있을까 하는 이런 의문이 들겁니다. 놀랍게도 간접적 존재증명이 이루어져있죠. 1993년 노벨물리학상을 받은 로버트 테일러(R. Taylor)와 러셀헐스(R. Hulse)의 발견은 이전에 없던 "맥동하는 중성자별 쌍성계 (Pulsar Binary)"를 발견한 공로였습니다. 그들은 1975년에 테일러-헐스 펄사라는 이름의 이 쌍성계를 발견했고, 아레시보에 위치한 천문대에서 노벨상 수상 이후 2005년까지 약 30년동안 데이타를 모았습니다. 쌍성계들은 중력파를 내는 유력한 후보였는데, 아인슈타인의 이론에 의하면 중력파도 에너지기 때문에 도는 동안 에너지를 내고 둘의 공전궤도가 줄어들것이란 예측을 했고, 그 예측이 이론적으로 예측되었죠. 이 30년간의 데이터와 맞춰보니, 매우 정확하게 잘 맞습니다. (오차범위가 0.2%)

어떤 과학사의 사실도 이론과 관측이 이정도로 맞는 예는 없었죠. 때문이 이 발견이 중력파의 간접적 존재를 확인한 유명한 발견입니다. 그니까 실제 있으니까 이제 직접 찾기만 해라라는 그런 의미이죠. 그래서 뒤에 이야기 하겠지만, 세계적으로 이것만 찾으면 노벨상은 따논 당상이라는 신념하에 전세계적인 거대 프로젝트들이 시작됩니다. 앞서 이야기 한대로 "중력파 최초직접검출 = 노벨상"이란 등식은 학계에서도 이견이 없습니다. 시기는 언제냐라는 질문만 가능할것이죠. 더 원천적으로는 "직접검출"이 정말 가능한가 정도의 질문되겠습니다. 천문학 프로젝트란게 항상 "우연에 기인한 발견"(Serendipity, 세렌디피티)이 빈번한데다 예측할수 없는 천문현상을 위해 낚시줄 놓고 기다리는 게 대부분이라 시기가 언제인지가 화두이죠. 게다가 존재증명까지 된 중력파의 경우라면 상황이 다르지요. 그렇다면 왜 중력파를 찾으려 할까요? 가장 중요한 대답은 바로 이겁니다.

우주를 제대로 이해해 보자!

현대 우주를 관측하는 기술은 "빛"에 의존합니다. 그 모양이 가시광선, X-선, 감마선, 마이크로파 등등의 전파로 다르긴 해도 결국 빛입니다. 이 빛은 우주의 역사에서 비교적 뒤에나 생성되었어요. 우주론 이야기를 잠깐하면 현재 통용되는 "빅뱅우주론" (엄밀하게 현대 우주론의 정설은 "람다-CDM 모델" 입니다.)에 의하면 빅뱅이후, 인플레이션을 거치고, 우주가 다시 식는 시기를 거치고, 이후 "핵합성기"를 거쳐갑니다.

우리가 우주를 볼수 있는 한계는 아무리 길어야 이 "빛(photon)"이 생긴 이후밖에 안된단 이야기죠. 즉, 현재 관측기술로 보는 우리우주의 크기는 "빛 생성 이후" 크기란 소리입니다. 그런데 중력파는 그 이전에도 존재했어요. 왜냐면 중력은 우주 탄생의 원동력이었거든요. 빅뱅이란 사건에 의해 중력파가 발생되고 이것이 우주전역에 퍼져 있다는 의미기도 해요. 이를 중력파우주배경복사(Stochastic Gravitational Wave Background)라고 부릅니다. 바로 중력파가 빛이 없는 이전 시기의 우주를 볼수 있는 "창문"(window)를 제공한다는 말이되겠죠. 그렇습니다. 이사실은 바로 갈릴레오가 광학망원경을 발명하고 그 이후 전자기파의 발견(헤르츠, 1905년) 이후에 우리가 우주를 보는 창이 전파망원경의 등장으로 더 멀리 볼수 있듯이, 중력파라는 새로운 매개체를 통해 우리는 빅뱅, 인플레이션의 우주 태초를 탐색할수 있는 도구를 얻게 되는 것이죠. 두번째 이유는 전자기파가 미치지 않는 미지의 천체들을 탐구할수 있는 도구가 됩니다. 블랙홀은 빛도 흡수해서 우리가 가진 광학망원경으로는 절대 볼수 없습니다. 특히 쌍성계나 인접 항성 들을 흡수해서 X-선이나 감마선등을 내지 않는 단일 천체나 블랙홀 쌍성들은 더욱 탐구할수 없죠. 이런 천체들도 중력파는 발생하기에, 어떤 기작에 의해 블랙홀 내부 구조가 이루어지는지를 알 수 있습니다.

또한 중력파를 통해 현재 알려지지 않은 다양한 천체물리학의 난제들을 해결하길 기대하는 거죠. 중성자별의 내부 구조라던지, 중간질량의 블랙홀의 존재, 감마선 폭발현상에 대한 메커니즘과 초신성의 메커니즘 등등. 이 모든것은 아인슈타인의 "일반상대성이론"의 마지막 검증에 귀결됩니다.

중력파라는 것은 발견 그 자체의 호기심으로 끝나는 것이 아니라 새로운 물리학, 천문학의 시작을 의미합니다.

즉, 전자기파의 발견으로 "전파관측"의 시대가 도래한 현대천문학의 기적처럼요. 1864년 맥스웰의 전자기파 이론이 1887년 불과 17년만에 전자기파의 발견으로 이루어졌을 당시 헤르츠는 "이 발견의 가치"에 대해 묻는 사람들에게 이렇게 대답했다고 해요.

"이 전자기파라는 것은 아무짝에 쓸모없는 것이다. 단지 거장 맥스웰 옹의 업적이 위대함을 증명했을뿐... 이 발견 자체는 도대체 어따쓸지 나도 막막하다. 그냥 쓰레기통에나 넣어야 할것 같다."하인리히 루돌프 헤르츠

하지만 우리는 헤르츠의 발견덕분에 무선 전자통신 시대에 살며, 핸드폰, 무선통신, 인터넷에 풍요를 누리고 있고, 천문학에서는 전파망원경을 이용한 우주의 이해를 넓히는 계기를 마련했지요. 중력파의 발견은 이와 같을것입니다. 중력파 천문학의 시대를 열것이고, 중력파를 통한 중력의 이해로 우리의 삶에 이용될 날이 오게 되겠죠.

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