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세 번째 중력파 발견 의미는?…쌍성 블랙홀 생성이론 밝혀지나

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2017년 06월 02일 00:00 프린트하기

 

2015년부터 차례로 검출된 세 번의 중력파로 3차 중력파는 1,2차 중력파가 약 10억광년 떨어진 곳보다 먼 약 30억광년 떨어진 곳에 위치하고 있다 - LSC 제공
2015년부터 차례로 검출된 세 번의 중력파로 3차 중력파는 1,2차 중력파가 약 10억광년 떨어진 곳보다 먼 약 30억광년 떨어진 곳에 위치하고 있다 각각의 중력파는 두개의 쌍성 블랙홀이 충돌해 합쳐처 하나로 될때 발생한다. - LSC 제공

 

30억 광년 떨어진 곳에서 온 중력파가 검출됐다. 검증까지 완료한 중력파로는 역대 세 번째다.

 

1000여 명의 전문가 그룹으로 이뤄진 라이고 연구협력단(LIGO Scientific Collaboration, LSC)은 2015년 9월과 12월 포착한 중력파를 검증을 거친 뒤, 각각 2016년 2월과 6월에 발표한 바 있다.

 

LSC 측은 미국 워싱턴주 핸퍼드에 있는 레이저간섭계중력파관측소(LIGO)를 이용해 세 번째로 중력파를 감지하는 데 성공했다고 1일(현지시각)에 밝혔다. 이번에 발견한 세 번째 중력파도 처음 두 발견과 마찬가지로 2017년 1월 4일 처음 포착한 뒤, 약 5개월간의 검증 기간을 거쳤다.

 

이번 중력파가 기존의 발견됐던 두 개의 중력파 보다  2배 이상 먼 곳에서 발생한 것인데다 쌍성을 이루던 두 블랙홀이 충돌하는 마지막 순간에 나온 것으로 판명되면서 관심이 집중되고 있다.

 

● 더 멀리서 온 ‘중력파’, 우주연구의 대세로

 

아인슈타인이 1915년 3월 발표한 일반 상대성 이론에 따르면 질량이 있는 모든 물체가 움직일 때 중력파가 나온다. 중력파는 주변의 시간과 공간을 변화시키며, 그 정보를 고스란히 담은 채로 우주로 퍼져 나간다.

 

또 우주는 계속 팽창하고 있기 때문에, 더 멀리서 온 중력파의 존재는 더욱 먼 과거에서 일어난 사건을 의미한다. 이번에 발견된 세 번째 중력파는 앞서 발견된 것보다 약 2배 이상 먼 곳에서 온 것이다.

 

1차 중력파는 약 13억 광년 떨어진 곳에서 생성된 것으로 태양질량의 36배인 블랙홀과 29배인 블랙홀이 충돌할 때 생성됐고, 2차 중력파 역시 비슷한 거리에서 각각 태양질량 14배와 9배에 달하는 블랙홀이 충돌할 때 생긴 것으로 확인됐다.

 

이번에 확인된 세 번째 중력파는 약 30억 광년 떨어진 곳에서 태양질량보다 31배 큰 블랙홀과 19배 큰 블랙홀이 충돌하며 합쳐지는 마지막 순간 나온 것으로 분석됐다. 쌍성계를 이루는 블랙홀은 서로 돌다가 충돌하는 짧은 순간에 중력파를 방출한다.

 

프로젝트를 이끈 호주국립대 중력파연구센터 수잔 스콧 수석연구원은 “앞으로 검출 강도를 높여 더 멀리서 온 중력파를 찾을 수 있다면 초기 우주의 암흑물질 구성을 연구하는 데도 도움일 될 것”이라고 말했다.

 

우주 대폭발(빅뱅)으로 시공간이 흔들렸을 당시 발생한 중력파를 찾으면 초기우주는 물론 눈에 보이지 않지만 우주공간의 대부분을 차지하는 암흑물질에 관한 정보를 얻을 수 있다.

 

강궁원 한국중력파연구협력단(KGWG) 연구원은 “더 먼 과거로부터 온 다양한 중력파를 더 찾게 되면 향후 우주 연구에 있어 막힌 문제를 푸는데 돌파구가 될 것”이라고 덧붙였다.

 

● 쌍성 블랙홀 생성 비밀, 두 개의 블랙홀이 만날까

 

질량이 태양의 수 배에서 수 백배에 달하는 별들은  밀도가 커지면서 수축해 블랙홀이 된다. 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀이 우주공간에서 홀로 존재한다면 찾을 방법이 없다.

 

하지만 두 블랙홀이 서로 가까이 위치한 쌍성 블랙홀의 존재는 확인할 수 있다. 하나의 블랙홀이 다른 블랙홀의 주위를 맴돌다 빨려들어가거나 충돌할 때 X선이나 중력파 등이 나오기 때문이다. 학자들은 두 블랙홀이 빨려 들어갈 때 나온 X선 등의 데이터를 분석해 블랙홀의 존재를 확인해 왔다. 또 최근 3번에 걸친 중력파 발견으로 쌍성 블랙홀에 대해 보다 구체적으로 알 수 있게 되었다.  

 

관측 가능한 쌍성 블랙홀이 만들어지는 두 가지 가설이 있다. 먼저 두 개의 별이 쌍성처럼 가까이서 돌다가 각각의 별이 블랙홀로 진화한다는 가설과 서로 다른 블랙홀 두 개가 가까워지면서 쌍성을 이룬다는 가설이다.

 

첫번째 가설에 따르면, 두 별의 자전 방향과 쌍성을 이뤘을 때의 궤도방향이 일치하며 블랙홀로 진화해도 방향의 변화가 생기지 않게 된다. 반면 두번째 가설이 맞다면, 따로 생성된 두 개의 블랙홀은 쌍성이 된 뒤 궤도와 자전의 방향이 이론적으로 다를 수 있다.

 

스콧 교수는 “이번에 발견한 세번째 중력파를 분석한 결과 두 개의 블랙홀이 서로 반대 방향으로 회전하며 충돌한 것을 확인했다”고 설명했다.

 

강 연구원은 “서로 다른 블랙홀이 만나 쌍성계를 형성했다는 이론을 뒷받침하는 관측 결과”라며 “앞으로 추가적인 데이터가 축적되면서 쌍성 블랙홀 형성 과정을 보다 명확히 규명할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

 

※ 한걸음 더: 진짜 중력파 가르는 기준은?

지금까지 확인된 중력파는 실제 발견된 시기와 발표 시기 사이에 약 5~6 개월의 시간 차가 있다. 이는 '신호 대 잡음 비율', '가짜 신호 비율(False alarm rate)' 등을 분석해, 발견된 신호가 진짜 중력파가 맞는지 확인하는 데, 시간이 필요하기 때문이다. 과학계는 신호대 잡음 비율이 10이상, 가짜신호 비율이 수만년 분의 1번 나오는 수준이면 의미있는 신호로 인정하고 있다. 

LIGO 관측 장비를 통해 중력파 후보 신호가 들어오면 γ선, 전파, 뉴트리노망원경 등이 있는 28개의 세계 각지의 관측소에서 후보 신호가 온 방향으로 감지장치를 집중해 신호를 살핀다. 그런 다음 LSC 내 전문 그룹이 모은 신호데이터를 분석한다. 한 예로 가짜 신호 비율을 분석한 결과를 보면 1차로 발견된 중력파의 경우 20만3000년의 1번, 2차 중력파는 100만 년의 1번, 이번에 발견된 3차 중력파는 7만 년의 1번꼴로 가짜신호가 발생할 수 있다고 확인됐다.


 

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