LIGO 과학자들은 어떻게 중력파를 발견하였고 그 다음 단계는 무엇인가

100여 년 전, 알베르트 아인슈타인은 우주의 폭발에 의하여 시공간이 휘어지는 중력파의 존재를 예견하였습니다. 그로부터 100년 후 LIGO 과학자들은 워싱턴과 루이지아나에 크고 매우 정밀한 중력파 탐지기를 설치하여 그 실체를 확인하였습니다. LIGO 과학 협력단의 천체 물리학자 가브리엘라 곤잘레스는 노벨상을 수상한 이 놀라운 발견이 우리의 우주 세계에서 무엇을 의미하는지 설명합니다.

약 100여 년 전인 1915년

아인슈타인은 일반 상대성
이론을 발표했습니다.

다소 모호한 이름이지만
중력을 설명하는 이론입니다.

행성을 비롯해 질량을 가진 모든 물질,
즉 질량체는 다른 질량체를 끌어당기는데

이는 뉴턴이 주장한
순간력(Instantaneous Force) 때문이 아니라

사람이든 행성이든 모든 물질이

시공간의 유연한 구조 안에서
변화되기 때문이라는 이론입니다.

시공간은 우리가 사는 곳이며
우리 모두를 연결하는 것입니다.

마치 우리가 매트리스에 누웠을 때
매트리스가 휘어지는 현상과 같습니다.

다시 말하자면, 질량체의 움직임은
뉴턴의 운동 법칙 때문이 아닌

시공간의 휘어짐을 보고
그 곡선을 따라 움직이는 것입니다.

여러분이 침대에 누워
매트리스가 휘어지게 되면

함께 자고 있는 배우자가
여러분에게 다가오는 것처럼 말이지요.

(웃음)

1년 후인 1916년에는

아인슈타인은 자신의
상대성 이론을 바탕으로 하여

중력파가 존재한다는 사실과

이는 질량체가 움직일 때
발생한다는 가설을 이끌어냈습니다.

예를 들어, 두 별이
서로를 중심으로 공전하면

시공간에 휘어짐을 만들며
그곳에서 발생한 에너지를 담게 되고

이로 인해 두 별이 서로를 향해
움직이게 된다는 것입니다.

그러나 아인슈타인은

이러한 중력파의 효과가
너무나 미세하기 때문에

측정이 불가능할 것이라고
예측하였습니다.

저는 이제부터 여러분에게

수십 년 동안
여러 국가에서 일하고 있는

수백 명의 LIGO 과학자들의 연구로

최근인 2015년에 이르러

이러한 중력파의 실체를
처음으로 발견했던

그 과정의 이야기를 들려드리려 합니다.

다소 긴 이야기입니다.

13억 년 전으로 거슬러 올라갑니다.

아주 옛날 옛적에

머나먼 은하계에서, 아주 멀리요.

(웃음)

블랙홀 두 개가 서로를 중심으로
공전하고 있었습니다.

탱고 춤을 추고 있었다고
표현하고 싶네요.

시작은 느렸지만

두 블랙홀은 중력파를 내뿜으면서

서로 점점 더 가까워지고
회전 속도 또한 점점 더 빨라졌습니다.

그러다 공전 속도가
거의 광속에 다다랐을 때

두 블랙홀이 합쳐져
하나의 블랙홀이 되었는데

그들의 질량은 태양의 60배에 달했지만

360km의 작은 크기로
압축되었습니다.

루이지애나주 정도의 크기지요.

제가 사는 곳이에요.

이 놀라운 현상은 두 블랙홀이
합쳐졌다는 우주의 소식을 담아

다른 우주 공간들에게 전하는
중력파를 만들어 냈습니다.

이러한 중력파의 영향을
알아내기까지는 오랜 시간이 걸렸습니다.

그 이유는 우리가
중력파를 측정하는 방식이

상호 거리 간의 효과를
측정하는 방식이기 때문입니다.

즉, 경도와 거리를
측정해 보는 것입니다.

이 중력파가 지구를 지나갔을 때

2015년도였지요.

모든 사물의 거리가 변하였습니다.

여러분 사이의 거리,
여러분과 제 사이의 거리,

우리의 키도 변했습니다.

모든 사람의 키가 미세하게
늘어나거나 줄어들었지요.

그 효과는 거리에 비례한다고
가정하고 있습니다.

하지만 중력파 효과는 매우 작습니다.

제 작은 키보다
훨씬 긴 거리라 할지라도

그 효과는 극히 미미합니다.

예를 들자면,
지구와 태양 사이의 거리의 경우

원자 하나의 지름
크기만큼 변하였습니다.

어떻게 측정될 수 있을까요?

저희가 어떻게 측정할 수 있었을까요?

50년 전,

캘리포니아 공대와 MIT의
통찰력 있는 몇몇 물리학자인

킵 쏜, 론 드레버,
라이 와이스 같은 박사들이

정밀하게 거리 측정을 할 수 있는
방법을 생각했습니다.

수 킬로미터 떨어져 있는 거울의
상호 거리를 측정하는데 사용됐던

레이저를 이용하는 방법이었습니다.

그 기술과 아이디어를 발전시키기 위하여

여러 과학자가 수년 간
많은 연구를 하였습니다.

그렇게 20년이 흘러

대략 30년 전에

미국에서 간섭 관측기라고 불리는
중력파 탐지기 두 기의 제작을 시작했습니다.

각각 길이가 4km로

하나는 루이지애나주 리빙스턴의
아름다운 숲 가운데에 있고

다른 하나는 워싱턴주 핸퍼드의
사막 가운데에 있습니다.

이 두 개의 간섭 관측기에는
레이저들이 존재하는데

이 레이저는 중앙에서 출발해
진공 속을 4km 진행한 후

거울에 반사되어
다시 돌아오게 됩니다.

이후 한 쪽 레이저의 거리와
반대쪽 레이저의 거리를 비교해

그 차이를 측정하는 것입니다.

중력파 탐지기는
매우, 매우, 매우 민감합니다.

세상에서 가장 정밀한 장치지요.

왜 두 개를 만들었을까요?

측정하고자 하는 중력파 신호는
우주에서 오지만

지구의 거울은
항상 움직이고 있기 때문에

중력파 효과를 확실히 구별하기 위해
두 개의 탐지기가 필요했기 때문입니다.

우주에서 오는 중력파 효과는
두 탐지기에 모두 나타나야 할 것입니다.

즉, 탐지기가 두 개 있으면

한쪽이나 다른 한쪽에만
나타나는 국지적 효과와

중력파 효과를 구별할 수가
있기 때문입니다.

2015년 9월

저희는 중력파 탐지기에
2세대 기술의 적용을 마쳤지만

여전히 기대한 만큼의
최적 감도를 실현하지는 못했습니다.

심지어 2년이 지난 지금도
아직까지 못하고 있습니다.

그럼에도 불구하고,
저희는 데이터를 수집하고자 했습니다.

무언가 발견할 것이라고는
생각하지 않았지만

단지 몇 개월 분량의 통계 데이터를
수집할 준비를 하고 있었습니다.

그러다가 자연이 우리에게
놀라움을 선사했습니다.

2015년 9월 14일

양쪽 탐지기에서 모두

중력파를 발견하게 되었습니다.

두 탐지기에서 모두

진폭과 주파수가 증가했다가
다시 제자리로 돌아가는

주기적 신호를 보게 된 것입니다.

두 탐지기에서 나타난
신호가 같았습니다.

중력파였지요.

그뿐만 아니라 그 신호를 해석하면서

이 중력파가 10억 년 이전에
하나로 합쳐졌던

블랙홀로부터 왔다는 사실을
추론할 수 있었습니다.

그것은..

(박수)

그것은 환상적이었습니다.

처음에는 믿을 수가 없었습니다.

이렇게 빨리 발견하게 될 줄은
상상도 하지 못했습니다.

모두가 놀랐습니다.

저희 스스로도 사실을 확신하기까지
수개월이 걸렸습니다.

오류의 여지를 조금도
남기고 싶지 않았거든요.

결국 중력파는 사실이었지만

다만 탐지기가 정말로 중력파를
측정할 수 있는지 확신하기 위하여

같은 해 12월에

또 다른 중력파를 측정하였습니다.

조금 더 작은 중력파였습니다.

첫 번째 중력파가 만들어낸 거리 차이는

양성자의 4천 분의 1에
해당하는 크기였습니다.

4km 거리에서요

네, 두 번째 중력파는 더 작았습니다.

그래도 저희 기준에 의하면
여전히 매우 믿을 만한 수치였습니다.

중력파는 소리의 파동이 아니라
시공간의 파동이지만

우리는 이것을 대형 스피커에
넣고 즐겨 들었습니다.

우리는 이를
"우주의 음악"이라고 불렀습니다.

이 음악의 첫 두 음을 들어보시죠.

(새가 우는 듯한 소리)

(새가 우는 듯한 소리)

두 번째의 짧은소리는

두 블랙홀이 만나는
마지막 순간에 발생하는 소리입니다.

그 찰나의 순간에
막대한 에너지가 방출되는데

이때 방출된 에너지양은
유명한 공식인 E = mc2로 계산해보면

태양 세 개의 에너지양과 같습니다.

다들 이 공식 기억하시죠?

저희는 이 음악을 너무나 사랑하여
이 음악에 맞춰 춤을 추기도 합니다.

다시 한번 들려드리겠습니다.

(웃음)

(새가 우는 듯한 소리)

(새가 우는 듯한 소리)

우주의 음악입니다

(박수)

사람들이 저희에게
흔히 질문하는 것 중 하나는

중력파를 과연 어디에
활용할 수 있는지 여부입니다.

중력파를 발견해냈으니
이제 무엇을 할 것인지 물어보곤 합니다.

중력파를 어디에 활용할 수 있을까요?

사람들이 시인 보르헤스에게
시의 목적이 무엇이냐고 물었을 때

보르헤스는 이렇게 되물었습니다.

"새벽녘의 목적이 무엇일까요?"

"애정 표현의 목적이 무엇일까요?"

"커피 향기의 목적이 무엇일까요?"

그리고 이렇게 답을 했습니다.

"시의 목적은 즐거움입니다.
감정을 위해, 삶을 위해 존재하는 것입니다."

우주를 이해한다는 것

만물이 어떻게 작용하는지 알고자 하는
인간의 호기심도 비슷합니다.

아득한 옛날부터 인간은,
아마도 우리 모두 또한 어렸을 때

하늘을 올려보다 처음으로 별을 보면서
호기심을 가졌을 것입니다.

"별이란 게 뭘까?"

이러한 호기심들이
우리를 더욱 인간답게 만듭니다.

과학을 하는 이유는
이러한 호기심 때문입니다.

중력파에 이제 목적이
생겼다고 말하고 싶습니다.

저희는 우주를 분석하는
새로운 방법을 개발하고 있습니다.

지금까지 우리는 별들이 발생시키는 빛을

오직 전자파를 통해서
관찰할 수 있었지만

이제는 우주의 소리를
듣는 것이 가능해졌습니다.

중력파처럼 빛을 발생하지 않는
무형의 소리까지도 관찰할 수 있게 된 것입니다.

(박수)

감사합니다.

(박수)

그러나 이것이 충분히 유용할까요?

중력파를 이용하여 새로운 기술을
만들어낼 수는 없을까요?

아마도 가능할 것입니다.

하지만 오랜 시간이 소요될 것입니다.

중력파를 탐지하는 기술은 개발했지만

중력파 자체의 유용성에 대해서는

아마도 100년 정도가 지나야
찾아낼 수 있을 것 같습니다.

과학으로부터 기술을 창조하는 것은
오랜 시간이 걸리는 일이고

이는 과학을 하는 이유가 아닙니다.

모든 기술은 과학으로부터
창조되긴 하지만

우리는 즐거움을 위해
과학을 연구하고 있습니다.

그럼 어떠한 일이 남아있을까요?

아주 많습니다.

많습니다.
이것은 단지 시작일뿐입니다.

중력파 탐지기의 감도 성능을
점점 더 향상시킬 수 있다면

가능한 일은 더욱 많아집니다.

더 많은 블랙홀을 보게 될 뿐만 아니라
그 목록을 만들 수 있게 됩니다.

몇 개인지, 어디에 있는지,
얼마나 큰지요.

뿐만 아니라 다른 물체들도
발견하게 될 것입니다.

중성자별이 서로 합쳐져
블랙홀로 변하는 것도 볼 수 있게 됩니다.

즉, 블랙홀의 탄생을
보게 되는 것입니다.

우리 은하계에서 자전하는 별들이

사인파를 만들어내는
광경도 보게 될 것이며

은하계에서 초신성들이
폭발하는 것도 볼 수 있을 것입니다.

즉, 모든 영역에 걸쳐
새로운 원천들을 볼 수 있을 것입니다.

저희는 인간의 몸에 새로운 감각 기관을
추가했다고 표현하고 싶습니다.

이제 보는 것과 더불어
들을 수가 있습니다.

천문학에서 혁명이 일어난 것입니다.

갈릴레오가 망원경을
발명했을 때처럼 말입니다.

이는 마치 소리 없는 영화에
소리가 더해졌을 때와 같습니다.

이는 단지 시작에 불과합니다.

저희 과학자들은
이렇게 생각하고 싶습니다.

과학의 길은 매우 긴 길입니다.

매우 즐겁지만, 무척 긴 길입니다.

저희 LIGO 과학 협력단 과학자들은
이 위대한 국제 사회에서

여러 국가에서 함께 일하며
하나의 팀으로서 함께 힘을 모아

그 길을 만들어 나가고 있습니다.

저희는 빛을 비추기도 하고
때로는 우회로를 찾기도 하면서

우주로 나아가는 고속도로를
만들어 나가고 있습니다.

감사합니다.

(박수)