중찾사(중력파를 찾는 사람들)

중력파, 아인슈타인의 마지막 선물 - 중력파를 찾는 LIGO와 인류의 아름다운 도전과 열정의 기록
오정근 지음 / 동아시아 / 2016년 2월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

예전에 상대성 이론 관련된 책을 볼 때, 아직 중력파를 발견하지 못했다는 내용을 본 적이 있단다. 그 전까지 중력이라는 것이 어떻게 전달되는지 미처 생각하지 못했는데, 중력도 결국 파동으로 전달이 되는 것이구나 생각했었단다. 아빠는 그때 중력파의 존재를 처음 알게 되었던 것이지.. 그렇게 중력파의 존재를 알게 되고 나서 얼마 뒤, 인터넷을 통해 중력파를 발견했다는 소식을 들었단다. 그전에 아빠가 중력파의 존재를 알지 못했다면 그냥 넘겼을 기사였는데, 중력파의 존재를 알았기 때문인지 그 발견이 얼마나 대단한 것인지 알게 되었단다. 이정도 대단한 발견이면 중력파를 발견한 사람들의 핵심멤버는 노벨상을 타겠구나. 그런 생각도 했었단다. 작년인가 그 중력파를 발견한 사람들, 즉 라이너 바이스 교수, 배리 베리시 교수, 킵 손 교수가 노벨 물리학상을 탔단다.

그 때 중력파 발견 기사를 읽으면서 언젠가는 중력파에 관한 책을 읽어야겠다고 생각했단다. 그런데 중력파가 발견되었다는 소식을 접한 지 얼마 안되어 중력파에 관한 책이 출간되었었단다. 그것도 번역서가 아니고 지은이가 우리나라 사람이야. 너무 장삿속 아닌가? 싶어서 그 책에 대해서는 크게 관심을 가지지 않았어. 그런데 그 책을 이번에 읽었단다. 아빠가 최근에 <중력, 우주를 지배하는 힘>이라는 책을 읽으면서 중력파에 대한 이야기가 몇 번 나왔어. 그래서 이 책이 생각나더구나. 그래서 다시 검색을 해보았더니, 평이 괜찮았어. 그래서 읽었단다.

이 책이 중력파 발견을 발표하자마자 이 책이 출간된 이유가 있더구나. 중력파가 발견된 것은 2016년 2월 12일. 이 책이 출간된 것은 2016년 2월 29일. 사실, 이 책은 2015년에 출간하려고 준비를 하던 중이었다고 하는구나. 그런데 2015년 9월에 중력파로 의심되는 이벤트가 발생했다고 했어. 아참, 중력파로 의심되는 파동을 ‘이벤트’라는 용어를 써서 이야기를 한대. 이 책의 지은이 오정근님은 그 이벤트의 결과를 보고 책을 출간해야겠다는 해서 책의 출간을 좀 미루고, 2016년 2월 드디어 의심 이벤트가 중력파로 최종 확인이 되었다는 거야. 그런 출간 스토리가 있었다고 하는구나. 책이 깔맞춤으로 출간된 것 같구나.

1.

1916년 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표했단다. 그리고 아인슈타인은 중력은 중력파에 의해 전달된다고 예견을 했어. 그런데 중력이라는 것이 너무 약해서 중력파를 발견하기 어렵다고 했어. 중력파의 정의는 질량을 가진 물질이 받는 힘의 변화로 인한 에너지가 파동으로 전달하는 것을 이야기한대. 아빠가 이해하기로는 중력을 전달하는 파동이라고 생각했어.

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(41)

중력파는 에너지가 전달되는 일종의 파동이다. 잔잔한 수면에 돌을 던지면 물결이 전파되어 나아가는 것과 유사하게 시공간에서 전파되는 파동이다. 중력은 우리가 주변에서 너무나 익숙하게 경험하고 있는 힘이다. 질량을 가진 물질은 무엇이나 중력이라는 힘의 지배를 받기 마련이다. 뉴턴의 만유인력의 법칙을 굳이 들지 않더라도 우리는 경험적으로 중력에 의해 지배를 받고 있음을 잘 알고 있다. 중력파는 질량을 가진 물질이 받는 힘의 변화로 인한 에너지가 파동으로 전달되는 것을 말한다. 이는 뉴턴 중력이론의 틀에서는 존재하지 않는 개념이다.

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그럼 중력파는 어떻게 검출을 할 수 있을까? 어떤 길이의 물질이 중력파에 의해 얼마만큼 변화되었는가로 측정을 해야 한다고 했어. 중력파가 아주 약하다고 했잖아. 그래도 검출하기 위해서는 그나마 강력한 중력파가 있어야 한다고 했어. 강력한 중력파라고 했지만, 감지하는 것은 여전히 어려운 정도로 약하다고 했어.

그럼 강한 중력파가 발생하는 것은 언제인가? 먼저 쌍성계가 있어. 두 개의 별이 중력으로 인해 서로 돌고 있는 별들을 쌍성계라고 해. 이 두 별은 서로 공전하다가 합쳐져서 하나의 별이 된다고 하는구나. 그 두 별이 서로 끌어당겨 하나의 별이 되는 것이 바로 중력에 의해 이루어지는 것이야. 그때 강력한 중력파가 나온다는 것이야.  두 번째는 중성자별인데.. 중성자별이라는 것은 중력수축이 이루어져 원자구조가 붕괴되고 중성자만 있는 별을 이야기해. 이 중성자별에서도 중력파가 발생한다고 하는구나.

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(57)

아주 급격한 중력파를 발생시키는 천체로는 쌍성계 외에 폭발체에 해당하는 천체가 있다. 초신성이나 감마선 폭발체와 같은 것이 그것이다. 초신성은 백색왜성과 같은 죽은 별이 주변의 동반성으로부터 물질이 유입되어 에너지를 공급받으면 핵융합의 재점화가 일어나서 폭발의 과정을 거치게 된다. 이 폭발은 동반성과의 병합 과정을 통해 에너지를 공급받게 될 때에도 일어난다. 또는 아주 질량이 큰 별의 중심핵이 붕괴 과정을 거치는 과정에서 중성자별을 만들게 되고, 지속적으로 수축하는 별의 물질이 중성자별 표면을 때려 바깥으로 별의 물질을 폭발적으로 발산하는 경우에도 일어날 수 있다. 이러한 폭발의 과정은 시공간에 급격한 변화를 주어 중력파가 발생한다.

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마지막으로 빅뱅 이후 급팽창했을 때 강력한 중력파가 생겼을 것이라고 했어.

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2.

많은 과학자들이 중력파를 발견하려고 오랫동안 많은 노력을 했단다. 여러 가지 현상과 실험을 통해서 중력파가 실제로 존재한다는 간접적인 증거들은 많이 찾아냈어. 하지만, 직접적인 검출은 쉽지 않았어. 중력파를 검출하기 위한 수많은 노력들… 그 역사를 이 책에서는 자세하게 이야기하고 있단다. 중력파를 검출 가능한 장비가 처음 등장한 것이 1960년대였단다. 

조지프 웨버라는 사람이 ‘바’ 형태의 검출기를 만들었어. 소위 바 검출기의 붐을 만든 사람이었단다. 그리고 1968년 그는 중력파를 발견했다고 발표를 했어. 당시 이것은 대단한 발견으로 칭송을 받았다고 하는구나. 그리고 일반상대성 이론의 붐이 일기도 했대. 그러나 오래 가지 않아 그의 데이터에 오류가 있다는 것이 밝혀졌고 많은 과학자들이 바 검출기를 이용하여 재시도했지만, 중력파를 발견할 수 없었단다. 과학에서 가장 중요한 것 중에 하나가 재현이 되어야 한다는 데 있어. 그러나 이 발견의 가장 중요한 것은 재현이 되지 않았고, 앞서도 이야기했지만, 데이터 조작의 의심이 있었대.

결국 조지프 웨버의 중력파 발견 발표는 하나의 해프닝으로 끝이 났단다. 하지만, 그가 만든 바 검출기는 중력파를 검출할 수 있는 가장 솔루션이라고 인정받았어. 이후 과학자들은 바 검출기를 만들기 시작했고, 더 나아가 극저온 바 검출기로 업데이트해서 열진동에 의한 잡음을 없애려는 노력도 했어. 그렇게 1980년대까지 이어졌단다.

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그러다가 1990년대 레이저 간섭계를 이용한 중력파 검출기가 등장했대. 바 검출기보다 정밀도가 더 좋아졌지만 문제는 많은 비용이 필요하다는 거야. 감히 개인이나 단체에서 만들기에는 비용이 너무 비쌌어. 나라에서 지원을 해주어야 했어. 미국은 국가에서 지원을 해주었기 때문에 레이저 간섭계를 이용한 중력파 검출기를 만들게 되었대. 그것이 LIGO(라이고) 프로젝트라고 했어. 땅도 많은 면적하고, 시간도 오래 걸리는 일이었어. 1990년대 처음 시작했는데, 첫 번째 관측 시작이 2005년이라고 했어. 그러니 얼마나 어려운 작업이었던 것인지 알 수 있겠지? 돈은 많이 들어가고 시간도 오래 걸리다 보니 비판을 받기도 했대. 이 LIGO 검출기의 정확도가 얼마나 대단한 지 설명해주는 글이 있어 발췌해 보았단다.

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(138)

이 거울들, 특히 레이저 빛을 최종적으로 반사시키는 출력 테스트질량 거울은 거의 4킬로미터 밖에 위치하기 때문에 그 설계와 시공이 매우 정밀해야 한다. 거울로 입사되어 반사되는 빛의 각도가 항상 일정하도록 해야 하기 때문에 그 표면이 매우 매끄러워야 한다. 특히 레이저 빛이 집중되는 중심부 2인치 정도에서는 거의 300억 분의 1인치 정도의 오차를 유지하고 매끄럽게 가공되어야 한다. 만약 거울의 크기가 지구만 하다면 거울 정밀 오차는 평균적인 산의 높이가 1인치 이내에서 튀어나오지 않아야 하는 수준의 정밀도이다.

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자, 이제 중력파를 검출해야 하는데 도대체 이 중력파의 정체는 어떤 것인지도 몰랐어. 언제 어디서 날라오는지도 몰랐고, 어떻게 생겨먹었는지도 몰랐고… 그야말로 건초더미에서 바늘 찾기라고 할 수 있어. 그래도 미국을 뒤로 이어 몇몇 나라에서 레이저 간섭계를 만들기 시작했단다. 그래서 중력파를 관측할 수 있는 커버리지가 넓어졌어. 그리고 그들은 네트워크를 구축해서 서로 협조했단다. 일명 라이고 과학협력단도 구성했어. 이 책의 지은이 오정근님도 이 모임의 회원이었단다.

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라이고 검출기는 이제 믿음을 가지고 기다리고 있으면 되었어. 그러던 중 2010넌 중력파 의심 이벤트가 발생해서 한 때 흥분의 도가니였어. 하지만 그것은 가짜 중력파임이 밝혀졌대. 그리고 2015년 9월 다시 중력파 의심 이벤트가 발생했대. 이번에는 신중을 가하고 검증에 노력을 했대. 이 시점에 두 개의 중성자들이 블랙홀이 만들어지는 시점과 맞아 들었어. 그리고 오랜 검증의 시작을 걸쳐서 현시 시간, 2016년 2월 11일(우리나라 시간 2월 12일) 공식으로 중력파 최초 발견을 발표했단다.

3.

그럼 중력파의 발견이 어떤 의미를 갖는가? 아인슈타인의 일반상대성 이론이 발표하고 중력파를 예견한 지 정확하게 100년 만에 중력파를 검출한 것 자체가 큰 의미를 지닐 수 있어. 그러나 그것보다 저 중요한 것은 우주 관측의 큰 변화라고 하는구나. 지금까지 관측은 전자기파에 국한되어 있었고 이것은 관측의 한계가 있었대. 그런데 중력파는 전자기파가 미치지 못하는 영역까지 작용한다고 했어. 우주의 시작을 알래는 빅뱅 때 생겨난 중력파도 발견할 수 있다는 거야. 그러면 우주의 탄생의 비밀을 좀더 정확하게 발견할 수 있다고 말이야. 그렇게 우주 관측 수준을 한 단계 올려줄 것이라고 기대를 하고 있다는구나.

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(230-231)

현재까지 전체의 관측 수간은 전파의 다양한 파장의 영역으로 넓어지긴 했지만 여전히 전자기파라는 가시광선을 포함한 수단에 국한되어 있다. 그러나 중력파는 전자기파가 미치지 못하는 영역인 우주 초기나 블랙홀의 주변과 같은 강력한 중력장에서 역시 제한이 없이 작용한다. 특히 우주의 여러 성간 물질 등과 상호작용하는 빛과 달리, 중력파는 그 세기가 매우 약하긴 하지만 다른 여러 신호의 간섭 없이 그 모습을 그대로 간직하고 도달한다. 따라서 이러한 중력파를 새로운 관측 수단으로 삼는 것은 현재의 관측 수준을 한 단계 올려주고 현재까지 풀리지 않는 우주의 비밀을 밝히고 새로운 발견을 가져올 것이라고 예상하는 것은 너무도 당연하다.

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가까운 일본만 해도 중력파에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있고, 일본도 레이저 간섭계를 이용한 중력파 검출기를 만들고 있어. 하지만 우리나라의 중력파 연구는 다른 나라에 비해 많이 뒤쳐져 있다고 하는구나. 그나마 최근에 중력파에 관한 행사도 개최되었는데, 2015년 중력파 학술대회를 개최하였대. 그리고 한국중력파연구협력단을 만들어서 라이고의 데이터 분석에 협조를 하고 있다는구나. 우리나라가 기초 과학에 투자하는 돈이 적다는 것은 어제오늘의 이야기가 아니잖아. 앞으로는 이런 것도 좀 변해서 기초 과학에 많이 투자하는 그런 나라가 되었으면 좋겠구나.

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이번 책을 통해 아빠는 중력파에 대해 조금 알게 되었고, 중력파를 검출하고 연구하는 사람들이 그렇게 많은 지 처음 알게 되었다. 다만 아쉬었던 것은 아빠는 이 책을 통해서 중력파에 대한 내용이 많았으면 좋겠다 싶었는데 그보다 중력파를 검출하는데 해 온 노력과 중력파 검출기의 역사에 대한 내용이 더 많았다는 것이야. 아빠가 기대했던 것과 다른 내용에 약간은 실망도 했단다. 자, 오늘은 여기까지만 할게…

PS :

책의 첫 문장 : 2016년은 아인슈타인의 일반상대성이론 탄생 100주년을 기념하는 해입니다.

책의 끝 문장 : 이 책을 읽고 미래에 중력파 천문학에 헌신하게 될 어린 학생들의 활약이 기대된다.