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중력파는 별이 어떻게 진화했는지, 우리은하가 어떻게 형성됐고 분포해 있는지, 초기 우주의 원소는 어떻게 만들어졌는지 등 우주의 기원을 이해하는 중요한 단서가 됩니다.이형목 서울대 천문학과 교수(중력파우주연구단장)

2015년 9월, 인류는 처음으로 ‘우주의 떨림’을 포착했다. 아인슈타인이 예측한 지 부산씨티캐피탈 100년 만에 중력파(重力波)가 지구에 닿은 것이다. 두 블랙홀이 서로를 돌다 합쳐지며 남긴 마지막 파동이 미국 라이고(LIGO·레이저간섭계중력파관측소) 검출기에 찍혔다. 그로부터 10년, 중력파는 이제 우주를 보는 새로운 ‘눈’이 됐다.
이형목 서울대 천문학과 교수(중력파우주연구단장)는 조선비즈와의 인터뷰에서 “지금까지 포착한 중력파 상여금 통상임금 사건만 약 300건”이라며 “처음 하나만 나와도 신기했는데, 이제는 블랙홀의 분포와 진화를 중력파 통계로 논할 수 있는 단계에 이르렀다”고 말했다.
◇별과 블랙홀 진화 연구까지 가능
중력파 관측은 미국 라이고 2대, 이탈리아 비르고(Virgo), 일본 가그라(KAGRA) 등 총 4대의 검출기가 맡고 있다. 전 세계 연구자 취업알선비용 2200여 명이 공동 관측망(LVK·LIGO-Virgo-KAGRA)을 이루고 있으며, 한국 연구진도 참여 중이다. 이 교수 역시 라이고 협력단 1600명 중 한 명이다. 한국인 연구자는 40여 명이 LVK에 속해 있다.
이 교수는 “중력파는 무거운 천체 두 개가 가까이서 궤도 운동을 하다 합쳐질 때 나온다”며 “시공간이 출렁여 두 점 사 형용사 이의 거리가 미세하게 늘었다 줄었다 하는 식으로 느낄 수 있다”고 설명했다. 라이고는 레이저가 두 거울 사이를 오가는 거리의 미세한 변화로 중력파를 감지했다.
중력파를 만든 무거운 천체는 블랙홀이다. 질량이 매우 큰 별이 극단적으로 수축한 천체로, 중력이 매우 커 물질은 물론 빛까지도 빨아들인다고 영어로 ‘검은 구멍’인 블랙홀이란 이름이 은행대학 붙었다. 13억 광년(光年·1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 블랙홀 쌍성에서 시작된 첫 중력파는 시공간을 미세하게 흔들며 지구까지 도달했다. 이 교수는 2015년 첫 검출 당시를 떠올리며 “진짜로 신호가 잡혔다는 걸 확인했을 때 전율이 느껴졌다”고 말했다.
라이고가 첫 가동될 때 3개월 동안 중력파 3건을 포착했지만, 지금은 일주일에 2건씩 발견돼 누적 관측 건수는 300건을 넘는다. 중력파를 통해 예상보다 질량이 큰 블랙홀이 많다는 사실도 드러났다. 이 교수는 “처음엔 ‘우주에 이런 게 있구나’ 정도였지만, 이제는 질량·거리·회전축 등을 계산해 블랙홀 진화를 연구할 수 있는 단계까지 왔다”며 “항성(별) 진화 과정과 블랙홀 병합 방식에 대한 기존 모델을 수정해야 할 수도 있다”고 말했다.



지난 8~12일(현지 시각) 미국 콜로라도주립대에서 열린 LVK 미팅에 참석한 이형목 서울대 천문학과 교수(중력파우주연구단장·오른쪽 두 번째)와 이형원 한국중력파연구협력단(KGWG) 단장(왼쪽 두 번째)./이형목 교수


◇“韓, 우주 팽창과 암흑에너지 연구 주도”
중력파 연구는 아직 걸음마 단계다. 전 세계 검출기는 4기뿐이다. 구축하는 데 수십년이 걸리고, 운영에는 수천억원이 들어가기 때문이다. 이 교수는 “우리나라가 당장 검출기를 만들긴 어렵지만, 글로벌 협력망에서 데이터 분석과 전자기파 후속 관측 분야로 영향력을 키울 수 있다”고 말했다.
과거 우주는 천체에서 나오는 빛으로만 관측할 수 있었다면, 이제는 천체 충돌로 나오는 중력파와 전자기파, 입자 등 여러 신호를 동시에 포착해 다각적으로 접근할 수 있다. 바로 다중신호 천문학 시대가 열린 것이다. 이 교수가 단장을 맡은 중력파우주연구단은 2021년 출범 이후 다중신호를 포착하고 인공지능(AI)으로 분석해 우주 팽창의 정도를 나타내는 허블 상수를 정밀하게 측정하고 있다.
이 교수는 “중력파로 우주의 팽창 역사를 재구성할 수 있다”며 “이는 암흑에너지 연구와 직결된다”고 말했다. 과학자들은 우주에서 빛을 내 우리가 관측할 수 있는 물질은 5%에 불과하고 70%는 우주가 팽창하도록 밀어붙이는 암흑에너지라고 본다. 나머지 25%는 빛을 내지 않으면서 물체를 끌어당기는 암흑물질로 불린다.
서울대는 칠레 산티아고에서 약 480㎞ 떨어진 안데스산맥 엘 사우스 천문대에 다파장 광학망원경을 설치했다. 중력파우주연구단은 이 망원경으로 중력파가 발생하고 바로 나오는 빛인 킬로노바(kilonova)를 세계에서 가장 빠르게 포착하는 것을 목표로 하고 있다. 킬로노바는 수명이 다해 폭발한 중성자별들이 충돌하면서 주변에 강렬한 빛을 내는 현상으로, 철보다 무거운 원소들이 우주에 퍼지게 된 원인으로 알려져 있었다.
이 교수는 “우리가 사는 3차원 공간에 시간, 파장, 밝기, 시선 속도를 각각 1차원씩 더해 7차원으로 관측한다”며 “이를 통해 킬로노바뿐 아니라 거대 질량 블랙홀의 무게 측정, 우주 팽창률 계산, 전 하늘의 스펙트럼 지도 제작까지 가능하다”고 설명했다. 그는 또 “중력파가 감지되면 하늘 전체를 빠르게 스캔해야 한다”며 “우리 망원경은 여러 파장에서 밝기 변화를 동시에 측정해 킬로노바 여부를 신속하게 판별할 수 있어, 스펙트럼 측정 속도가 큰 장점”이라고 말했다.
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