LIGO의 중력파 검출에 대한 의문

New Scientist 11월 3일 호에 라이고LIGO 팀의 중력파 검출에 대한 의문을 제기하는 기사가 실렸다. LIGO는 Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory의 약자로서, 중력파를 검출하는 거대한 간섭계interferometer이다.

Virgo라 불리는 시설의 모습. 위치는 이탈리아 피사 근처이며 2017년에 가동을 시작했다. 기존의 다른 시설 2개는 미국 워싱턴 주의 핸포드Hanford와 루이지애나 주의 리빙스턴Livingston에 있다. (source: https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20170927)

검출 원리는 위키피디아에서 가져온 아래 그림에 잘 나와있다. 중력파(아래 그림의 노란색으로 표현된 부분)가 지나가면서 간섭계 팔의 한쪽 길이를 바꾸면, 그로 인해 위상이 달라져서 검출기(그림 오른쪽의 동그라미)에 검출되는 빛의 세기가 달라지는 현상을 이용한다.(이 간섭계 팔 한쪽의 길이가 4 km이다.)

문제는 중력파의 크기가 엄청나게 작다는 것이다. 수십 억 광년 떨어진 거대한 질량을 가진 물체들-블랙홀이나 중성자 별-의 충돌로 생기는 중력파는 사방으로 퍼지면서 그 크기가 줄어든다. 지구에 도달할 즈음이면 그 크기는 양성자 크기의 1000분의 1 정도로 줄어든다고 한다. 이 정도의 진동을 검출하려면 지구 상의 모든 진동-늘상 일어나는 지진파, 근처를 지나가는 기차로 인한 진동, 심지어는 검출기를 구성하는 물질의 열운동으로 인한 진동-을 제거isolate해야 한다. 2015년 9월 12일에 가동을 시작한, 업그레이드 된 검출기를 갖는 LIGO(보통 advanced LIGO라 한다)는 이러한 진동을 제거하고 중력파를 검출할 수 있는 능력을 가졌다고 알려졌다. LIGO 검출기는 양성자 크기의 10,000분의 1 크기의 변화를 검출할 수 있다고 한다.

2015년 업그레이드된 시설을 가동한 이후, LIGO 팀은 벌써 여러 번 중력파의 검출을 발표했다. 처음 발표는 2016년 2월 11일에 있었으며, 이때 발표한 중력파는 15년 9월 12일에 가동을 시작하자마자(48시간 이내에) 검출됐다. 2017년 노벨 물리학상은 중력파 검출에 기여한 이들에게 수여됐다(여기에는 인터스텔라 영화 감수로 유명해진 킵 손Kip Thorne도 있다).

여기까지는 잘 알려진 사실이다. 이번에 새로 제기된 의문은 실제 검출 과정에 관한 것이다. 그렇게 작은 중력파를 어떻게 검출하나? 난 정말 모든 잡음-중력파와 상관 없는 모든 배경 진동들-이 제거되어 검출기에는 깨끗한 중력파의 신호만 검출되는 줄 알았다. 이 순진함. 사실 검출기에 검출되는 신호는 중력파 뿐만 아니라 모든 배경 진동으로 인한 잡음을 포함한 것이다. 그럼 이렇게 지저분한 신호에서 어떻게 중력파 신호를 뽑아내는가? 여기에 핵심 논쟁이 있다. 

중력파를 뽑아내는 과정은 알고 나니 놀랍다. 먼저 중력파가 만들듯한 신호를 계산한다. 그런 후, 이 중력파 신호를 검출 신호에서 제거한 후 남는 신호를 본다. 남는 신호에 아무런 연관도 없는 잡음만 남는다면, 중력파를 검출한 것이다. 아래 그림이 최초의 중력파 발표 때 사용한 그림이다.

문제는 중력파가 만들 듯한 신호(이것을 template이라고 부른다), 즉 정해진 신호를 찾는 데에 있다. 뭔가 편견이 들어갈 가능성이 농후하지 않은가? 아무런 template 없이 중력파 신호를 찾기 위한 웨이블렛 분석wavelet analysis이라는 것도 하는 모양이다. 하지만 이 경우에 신호를 검출했다고 해도 이 신호가 어떻게 생겼는지 물리적 이유를 찾기는 매우 어렵다고 한다.

이번에 문제를 제기한 일군의 물리학자들은 LIGO에 소속된 과학자들은 아니고 코펜하겐의 닐스 보어 연구소 소속 물리학자들이다. 이들은 우주 배경복사와 같은 커다란 데이터를 분석하는 작업을 했던, 신호 분석에 문외한이 아닌 과학자들이라고 한다. 이들은 문제를 제기하는 정식 논문도 동료 심사를 거쳐 발표했다. 그냥 아무렇게나 제기한 의문은 아니라는 말이다. 이들은 중력파 신호를 제거한 후 남는 신호가 순수한 잡음이 아니라는 결론에 도달했다고 한다. 즉, 검출했다는 중력파가 실제 중력파 신호가 아니라는 주장이다. 이들에 따르면, 2015년 9월에 검출된 신호가, 발표된 대로 2개의 블랙홀의 충돌로 인한 것일 확률이 0.000004이다. 어떤 종류의 블랙홀 충돌로 인한 신호라고 해도 그 확률은 0.008로 밖에 올라가지 않았다. 

LIGO 팀의 반응은? 닐스 보어 연구소 과학자들이 기본적인 사실을 놓쳤다고 주장한다. 신호 분석을 할 때 본인들은 window function을 사용했는데, 닐스 보어 연구소 과학자들은 이를 사용하지 않았다는 것이다. 하지만 닐스 보어 연구소 과학자들은 일부러 window function을 사용하지 않았다고 한다. 신호 분석을 잘 모르는 나는 어떤 것이 옳을지 모르겠지만, window function의 사용도 일종의 편견을 분석에 가져오는 것 아닐까.

이제 공은 LIGO 팀에게 넘어갔다. 과학은 논쟁을 거치며 발전한다. 이번 사건은 과학에 문제가 있음을 얘기하는 것이 아니라, 오히려 그만큼 과학이 건강함을 말해준다고 생각한다. 내게는, 극소의 신호를 다루는 첨단 과학에서 신호 분석이 그만큼 중요해졌다는 것을 깨닫는 계기가 됐다.

포르투갈의 높은 산

포르투갈의 높은 산
얀 마텔 지음, 공경희 옮김 / 작가정신 / 2017년 11월

이 책은 무엇을 얘기하려는 것일까. 사랑하는 이들을 잃은 사람들의 이야기. 그들의 상처... 그들 옆에 머무는 죽음들... 이렇게 환상으로 벗어나는 이야기들은 <파이 이야기>를 쓴 얀 마텔의 스타일이기도 하다. 

죽음은 둘로 나뉜다. 남의 죽음과 나의 죽음. 이 둘 사이에는 헤아릴 수 없는 간극이 있다. 사랑하는 이와의 이별도 둘로 나뉜다. 남의 이별과 나의 이별. 막상 나에게 이별이 닥치면 그것은 객관화가 불가능한 인생 최대의 사건이 된다. 마치 나의 죽음과도 같이. 

사랑하는 이와의 이별은 남아 있는 이에게 지울 수 없는 상처를 남긴다. 떠나간 이는 내 옆에 계속 머물며 나에게 말을 건다. 세월이 약이라지만, 진정 사랑했던 사람에게 세월은 과연 치유를 주는가. 아마 그럴수도, 하지만 완치는 불가능하지 않을까 하는 생각.

유인원(으로 상징되는 것)이 이로부터의 구원일까. 과거가 없고 현재만 사는 삶, 미래 또한 없는 삶? 얀 마텔이 유인원--침팬지--를 통해 얘기하고자 하는 바는? 한 가지는 분명한 것 같다. 얀 마텔은 이야기를, 이야기의 힘을 믿는다.

얽혀 있는 사건을 통해 80여 년을 이어지는 이야기가 인간사의 우연성과 필연성을 보여주는 것 같다. 우리네 삶이 서로 얼마나 긴밀히 연결되어 있는지도... 읽으면서 왠지 예전에 봤던 영화 <바벨>이 생각났다.

결론? 매우 열려 있는 책. 또한 나 자신의 상처를 생각나게 하는 책. 책이 주는 위로가 있는가? 아파하는 다른 이들을 보는 것도 위로가 될 수 있다. 나도 그들과 다르지 않음을 느끼니까. 그것이 위로라면 위로랄까...

퍼스트맨 - 닐 암스트롱 이야기

인류 최초로 달에 발을 내딛었던 미국의 닐 암스트롱과 그의 가족, 그리고 그의 동료들 이야기이다. 영화는 닐 암스트롱의 시선을 따라서 그가 겪었던 가족적 불행, 훈련과 실패 과정, 그리고 무엇보다 우주 비행사로서의 경험을 보여준다. 지금도 달로의 여행은 쉽게 느껴지지 않는데, 지금과 비교하면 보잘것 없는 컴퓨터와 기술로 인간을 달로 보낸 거의 50년 전의 성취는 정말 대단하게 느껴진다. 로켓의 꼭대기에 타서 돌아올지 모르는 여행을 떠나는 우주 비행사는 또 얼마나 대단한가. 미국인의 프런티어 정신이라는 것, 미국이라는 나라의 에너지, 미국이라는 나라의 위대함을 생각하지 않을 수 없다. 달 표면에 성조기 세우는 장면이 안 나온다고 트럼프는 비난했다던데, 그런 애국주의적 장면이 나오지 않아서 더 세련되게 미국의 힘을 느낄 수 있었다. 거기에 더해 암스트롱의 고독한 내면도... 실제 암스트롱은 내성적이고 조용한 사람이었다고 한다. 영화는 기술적이나 역사적으로 거의 사실에 기반하여 만들어졌다. 딱 하나 영화적 상상력이 가미된 부분이 있는데 그 부분은 영화를 볼 사람들을 위해 말하지 않겠다(아마 보면 바로 알아챌 수 있을 거다). 

영화의 원전이 되는 동명의 책은 영화 개봉과 맞추어 번역되어 출간됐다. 그 옆 2권은 2005년에 처음 출간되고 최근 다시 간행된 원서이다. 

영화가 지루하다는 평도 있던데, 내게는 아주 좋았다. 인류라는 동물의 특성을 잘 나타내는 사업이 달 탐험이라고 생각한다. 당시에도 그 엄청난 돈을 들여 뭐하러 달 탐험을 하느냐는 비판도 많았다고 한다. 그 돈으로 차라리 가난한 사람들을 도와주는 것이 낫지 않겠냐는 것이다. 아폴로 이후 지금까지 아무도 다시 달에 가지 않은 것을 보면 일리가 있긴 하다. 하지만 인류는 경제적, 사회적, 도덕적으로 옳은 일만을 하는 존재가 아니다. 이성 외에 감성이 있다. 당시 소련과 경쟁하며 국가 자원을 동원하여 목표를 향해 질주하는 미국에게서 뭔가 마초의 냄새가 풍기기도 한다. 물론 국가 경쟁이 전부는 아니다. 산이 거기 있기에 가는 것처럼, 달이 저기(!) 있기에 가는 데에서 인간의 순수한 도전 정신을 느낄 수도 있다. 이런 국가주의, 순수한 탐구와 호기심의 시대는 이제 사라지지 않았나 하는 데에서 뭔가 아쉬움을 느끼기도 한다. 여러 가지를 생각하게 하는 영화이며, 기존의 우주 영화 <그래비티>, <마션>, <인터스텔라>와는 또 다른 측면을 그려서 좋았다.

라그랑주 지점

허블 우주 망원경의 후임인 제임스웹 우주 망원경에 대한 기사를 읽다가 이해가 안 돼서 인터넷 검색을 해봤다. 일단, 아래가 문제 기사의 일부이다.

NASA는 ESA와 캐나다우주국 등과 공동으로 허블의 후임인 차세대 우주망원경 '제임스웹(James Webb) 우주망원경'을 제작 중인데 지난 9월 최종 조립에 들어간 것으로 알려졌습니다.

제임스웹은 미국의 달 착륙·귀환 프로젝트인 '아폴로 계획'을 이끌었던 NASA의 국장 이름을 따서 지은 것입니다. 원래 제임스웹 망원경은 지난달에 발사할 예정이었는데 더 정밀한 제작을 위해 2021년으로 발사가 연기됐습니다.

제임스웹 망원경은 허블보다 훨씬 먼 150만㎞ 상공에 설치됩니다. 지구와 달 사이 거리보다 4배나 더 먼 '라그랑주 L2' 지역에 보내는 것인데 이곳은 태양이 지구를 끌어당기는 중력과 지구가 궤도를 유지하려는 원심력이 평형을 이루는 지역입니다.

따라서 제임스웹 망원경은 엔진이나 별도의 추진 장치 없이 지속적인 공전이 가능합니다. 그러나 고장이 나면 사실상 수리가 불가능하기 때문에 발사 전에 완벽한 상태여야 합니다. 허블처럼 초기에 말썽을 부린다고 해서 수리하러 갈 형편이 안된다는 말이지요. 제임스 웹의 성공을 기원합니다. (https://news.v.daum.net/v/20181102063016806)

제임스웹 우주 망원경을 L2 라그랑주 지점에 보낸다는 것인데 L2 라그랑주 지점에 대한 설명이 "태양이 지구를 끌어당기는 중력과 지구가 궤도를 유지하려는 원심력이 평형을 이루는 지역"이라고 되어 있다. 뭐가 좀 이상하지 않은가? "태양이 지구를 끌어당기는 중력과 지구가 궤도를 유지하려는 원심력이 평형을 이루는 지역"에는 (문장의 의미가 명확하진 않지만 내가 이해한 바 대로라면) 지구가 있다. 지구는 태양의 중력과 지구가 느끼는 원심력이 평형을 이루며 공전한다. 거기에 제임스웹 망원경을 보낸다고? 인터넷에서 찾아본 라그랑주 지점Lagrange point에 대한 올바른 설명은 이렇다: 이 지점에서는 태양과 지구 중력의 합이 그 지점에 있는 물체가 느끼는 원심력과 평형을 이룬다. 라그랑주 지점은 모두 5개인데, 아래 사진에 L1, L2, L3, L4, L5로 나와 있다. 제임스웹은 특히 L2 지점으로 보내지는데, 이 지점은 태양, 지구, 달을 등질 수 있어서 심우주深宇宙 관측에 좋다고 한다.

기사에서는 "따라서 제임스웹 망원경은 엔진이나 별도의 추진 장치 없이 지속적인 공전이 가능합니다"라고 나와 있지만, 사실 L2 라그랑주 지점은 불안정한 평형점이기 때문에 미세 궤도조정이 반드시 필요하다고 한다. 직선상에 있는 다른 라그랑주 지점인 L1, L3 역시 불안정하며, 한편 L4, L5는 안정하다고 한다[1].

라그랑주 지점은 '삼체 문제three-body problem'에 관해 1772년에 논문을 쓴 프랑스의 수학자 라그랑주를 기려 이름을 붙였다고 한다(라그랑주 지점도 삼체-태양, 지구, 그리고 물체-문제이다). 과학소설에서도 종종 나오니 알아 놓으면 좋을 것 같다. 배명훈의 SF <첫숨>에서도 스페이스 콜로니의 위치로 나왔던 것으로 기억한다. 

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[1] https://www.space.com/30302-lagrange-points.html

인포그래픽으로 보는 우주 탄생의 비밀

흥미로운 책이 있어 기록해 놓는다. 벤 길리랜드Ben Gilliland가 쓴 '우주탄생의 비밀How to Build a Universe'이라는 책이다. 길리랜드는 영국의 그래픽 에디터라는데, 풍부한 그래픽으로 우주의 탄생과 진화, 그리고 종말을 흥미롭게 풀어냈다. 중고등학생들이 읽으면 딱 좋은 책인데, 우주와 우주론에 관심 있는 일반인들이 봐도 좋을 것 같다. 그림(또는 사진)이 많은 책을 영미권에서는 '커피 테이블 책'이라고 얘기하는데, 커피 테이블 위에 놓고 심심풀이로 보기에 좋은 책이라는 의미일 것이다. 이 책은 그 정도로 그림이 많지는 않지만 거의 버금간다고 얘기할 수 있겠다. 대개 어려운 주제의 책은 마음먹고 처음부터 읽다가 어렵다는 생각에 포기하는 경우가 많이 있는데, 그냥 흥미가 있어 보이는 부분부터 읽는 것이 이러한 난관을 피해나가는 방법이기도 하다. 이 책은 눈길을 잡아 끄는 부분부터 읽으면서 차차 앞으로 뒤로--마치 커피 테이블 책처럼-- 읽어도 괜찮을 것 같다. 우주론과 물리학에 관심이 있지만 부담으로 인해 시작하지 못한 이라면 이 책으로 시작해도 좋을 것 같다.

인류가 자신의 존재에 대해 처음으로 진지하게 생각에 잠겼을 때만 해도 세상은 인류에게 적대적이었다. 작은 유목 집단을 꾸려 수렵과 채집을 하면서 살아가던 초기 인류는 자신의 운명을 통제할 수 없었다. 따라서 자신의 운명이 신의 뜻에 달려 있다고 상상함으로써 통제력을 구하려고 했다. 고되고 덧없이 어둡기만 한 삶을 헤쳐 나가는 데는 기적이 일어나리라는 희망만큼 효과적인 것이 없었으니 말이다. 그러다가 과학이란 것이 생겨나 증거를 수집하고 개념을 시험하는 과정을 통해 우주를 지배하는 자연의 법칙과 메커니즘을 밝혀냈다. 제 아무리 기적 같은 일이라 해도 마찬가지였다. 이런 미신 같은 기적들을 몰아내는 과정에서 과학은 결국 모든 기적 중에서도 가장 위대한 기적을 밝혀냈다. 바로 ‘당신‘이다. - 7페이지