[미디어파인 칼럼 = 이상원 기자] 천문학자들은 최근 시공간으로 구성된 우주에서 거대한 파장이 처음으로 발견했다. 이 정도 규모의 중력파는 태양 질량의 수십억 배에 달하는 초대질량 블랙홀을 병합될 때 나타나는 크기이다. 북미 나노 헤르츠 중력파 관측소의 과학자들은 최근 연구에서 펄스(매우 짧은 시간에 발생하는 파동)로 회전하는 항성 잔해에서 파열음 파장의 변화를 연구함으로써 이러한 파동을 찾아냈다. 천문학자들이 수천 광년의 우주를 대상으로 이루어진 이 발견은 초거대 블랙홀이 우주를 형성하는 데 어떻게 도움을 주었는지 밝혀줄 것으로 과학계는 기대하고 있다. 또한 거대한 중력파에 대한 연구는 빅뱅 후 최초의 순간에 대해서도 밝혀낼 수도 있고 우주의 대부분을 구성한다고 생각되는 암흑 물질의 미스터리를 푸는 데 도움을 줄 수도 있다.
1) 중력파란
질량을 가진 어떤 물체가 가속할 때, 그 물체는 중력파를 발생한다. 중력파는 빛의 속도로 날아가고 팽창하며 공간의 왜곡을 발생시킨다. 중력파는 1916년 아인슈타인에 의해 예측되었으며 2015년에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)를 통해 중력파가 물질을 통과할 때 발생하는 미세한 왜곡을 감지하는 최초의 직접적인 증거를 발견했다. 이러한 중력파는 특히 블랙홀과 같이 직접 관측할 수 없는 물체에 대한 연구에 주로 사용되기도 한다. 빛이 고주파인 감마선에서 저주파인 전파에 이르기까지 다양한 파장과 주파수 영역대가 있는 것처럼 중력파도 마찬가지다. 이번에 LIGO는 대략 1,800마일 길이의 파장을 가진 고주파 중력파를 감지했으며 해당 중력파는 짧은 시간 안에 파장이 변하며 다양한 주파수의 형태를 보여주기도 했다.
2) 거대한 중력파를 발견하는 방법
이러한 거대한 파장을 발견하기 위해, 과학자들은 지구보다 훨씬 더 큰 크기의 탐지기가 절실했다. 지난 15년 동안, NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) 는 은하계 규모의 중력파 탐지기를 만들기 위해 은하수 전역의 죽은 별들을 분석했다. 연구원들은 빠른 속도로 회전하는 별들의 잔해보다는 거대한 별들이 초신성 폭발을 일으킬 때 생성되는 밀리초 펄스에 초점을 맞췄다. 이러한 밀도 높은 항성의 잔해들은 번쩍이면서 극에서 나오는 두 개의 전파를 발생시키는데 이러한 전파들이 지구를 통과할 때마다 전파 망원경은 매우 정확하게 초당 수백 개의 펄스를 감지한다.
또한 과학자들은 지구에서 수천 광년 이내에 68개의 펄스를 관찰했다. 중력파는 시공간을 수축시키고 팽창시키기 때문에, 중력파는 전파 폭발들 사이의 시간 간격을 변화시켜, 어떤 것들은 지연하기도 한다. 이러한 변화는 중력파가 단순히 무작위 진동을 감지하는 것이 아니며, 두 물체에 영향을 미치고 있는 것을 보여주는 것이다. 중요한 점은 이러한 시간의 변화는 지구와 펄스 사이의 공간이 축구장 가로의 길이만큼 휘어진다. 하지만 LIGO가 감지하는 공간 왜곡은 원자핵 크기보다 작고, LIGO의 중력파는 약 백만 배 적은 에너지를 전달한다. 펄스는 매우 희미한 전파원 정도만 만들기 때문에, 이 연구를 수행하기 위해 연구원들은 세계에서 가장 큰 전파망원경인 푸에르토리코의 아레시보 천문대, 웨스트 버지니아의 그린뱅크 망원경, 그리고 뉴멕시코의 초대형 망원경으로 관측하는 데 많은 시간을 보내야 했다.
3) 거대한 중력파는 초대질량 블랙홀로부터 온다
새로 발견된 중력파의 발생지 중 가장 가능성이 높은 곳은 태양 질량의 1억 배에서 100억 배에 이르는 초대질량 블랙홀 쌍이다. 반면 기존 LIGO가 감지한 중력파는 태양의 수십 배 이하의 질량을 가진 더 작은 블랙홀이나 중성자별 사이의 충돌에서 비롯되었을 가능성이 높다. 천문학자들은 초거대 블랙홀이 우주에서 가장 큰 은하의 중심부에 있다고 생각한다. 두 은하가 합쳐질 때, 각각의 중심 블랙홀은 새로 합쳐진 은하의 중심부에 자리 잡고, 이 거대한 은하들이 서로를 천천히 공전할 때 중력파를 생성하는 쌍성계를 형성한다. 이론 물리학자들은 은하들의 병합 이후에 초거대 블랙홀을 찾을 수 있는지에 대해 논쟁해 왔다. 하지만 이번에 발견된 중력파는 매우 거대하고 가까운 블랙홀 쌍성이 존재한다는 것을 보여준다. 블랙홀들이 펄스 배열이 감지할 수 있을 정도로 가까워지면 쌍성들은 수백만 년 안에 충돌할 운명에 놓이게 된다.
기존에 과학자들이 예상했던 것과 반대로 중력파 신호의 세기는 추정치보다 약 두 배로, 초거대 블랙홀이 이전에 생각했던 것보다 더 흔하거나 더 거대할 수도 있다는 것을 보여준다. 이 연구 결과는 초대질량 블랙홀 쌍성계가 우주에 수십만 개, 어쩌면 수백만 개에 이를 것을 보여준다.
[이상원 칼럼니스트]
고려대 산업경영공학과(휴학 중)
미디어파인 대학생칼럼니스트 겸 기자