세계 첫 중력파 관측한 LIGO의 다음 도전은?

10억 달러 이상 비용을 들여 1,000명 이상 과학자가 실험을 하고 있는 미국 연구 시설인 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), 레이저 간섭계 중력파 관측소가 지금까지 이룬 성과와 앞으로의 목표로 두고 있는 건 뭘까.

물리학자 알버트 아인슈타인은 1916년 저술한 일반 상대성 이론에 관한 논문에서 시공의 왜곡 파동으로 광속으로 전파하는 현상인 중력파의 존재를 예언한 바 있다. 반세기가 지난 1960년대에 들어서면서 많은 과학자가 아인슈타인의 예언을 확인하기 위해 중력파 관측을 시도했지만 두드러진 성과를 거둘 수 없었다.

본격적으로 중력파 관측이 시작된 이후 다시 50년이 지나 아인슈타인이 존재를 예언하고 무려 100년이 지난 2016년 2월 중력파가 간신히 직접 관측되어 존재가 확인됐다. 이 때 중력파 관측에 성공한 게 미국 관측 시설인 LIGO다.

2016년 처음 중력파를 관측한 이래 LIGO는 3번 관측한 프로젝트를 통해 23회 중력파 관측에 성공했다. 이 중 20건은 첫 회와 같은 블랙홀끼리 충돌, 2회는 중성자별끼리의 충돌이다. 최근은 2019년 8월 관측을 통해 세계에서 처음으로 블랙홀과 중성자별의 충돌에 의해 발생했을 가능성이 높은 것으로 보이는 중력파를 감지했다.

이런 성과로 2016년에는 전 세계 물리학계를 흥분시킨 블랙홀 충돌은 최근에는 완전히 지루한 이벤트가 된 것이다. 시카고대학 천체 물리학자인 다니엘 홀츠는 블랙홀 충돌에 관한 연구는 이젠 통계적으로 처리되는 사건이 됐지만 다음은 어떤 식으로 중력파가 전해지거나 충돌 규모는 과거 관측 기록보다 얼마나 크거나 작은지 확인하는 건 충분히 매력적인 학문이라고 말한다.

한편 아직 새로운 발견도 많다. 지난 8월 28일 6시 34분 LIGO는 블랙홀끼리 충돌해 발생하는 중력파를 관측했지만 21분 뒤 똑같은 중력파를 다시 감지했다. 중력파 파장이 우연히 일치하는 경우는 거의 없다. 이후 조사에 의해 2가지 관측 기록은 같은 천체의 충돌에 의해 발생하는 중력파가 다른 방향으로 발생했을 가능성이 높은 것으로 밝혀졌다. 다른 방향으로 방출된 게 이 같은 빛이 휘어지는 중력렌즈처럼 중력파도 중력에 구부러진 게 아니냐고 추정하고 있다고 한다.

It’s been a bumper #GravitationalWaves day already, with *two* candidate events recorded in close succession this morning – both observed by all three detectors in our global network: @LIGOLA @LIGOWA and @ego_virgo. #O3ishere https://t.co/L29IhhyBBk pic.twitter.com/LSGR7XTnEW

— LIGO (@LIGO) 2019년 8월 28일

LIGO는 지금까지 중력파를 통해 관찰해온 블랙홀이나 중성자별은 모두 거대한 별이 일생을 마칠 때 형성되는 천체라고 한다. LIGO가 차기 관측에 도전하는 이 새로운 별의 탄생을 재촉하는 초신성 폭발이다. 하지만 초신성 폭발에 의해 발생하는 중력파는 미약하기 때문에 태양계가 우리 은하에서 발생한 초신성 폭발이어야 관측할 수 없는 것으로 알려져 있다.

홀츠는 우리 은하에서 초신성 폭발이 발생하는 건 대체로 1세기에 한 번 꼴익 때문에 LIGO가 본격적으로 가동을 시작한 이래 지금까지 4년 동안 한 번도 관찰되지 않으며 앞으로도 기다려야 할 것이라고 말한다. 하지만 언젠가는 반드시 일어나는 만큼 100년에 한 번 큰 행사를 손꼽아 기다리고 있는 모습을 내비쳤다.

LIGO는 앞으로 미국국립과학재단 등 출자에 의해 크게 정확도를 높인 ALIGO+(Advanced LIGO Plus)로 업그레이드를 예정하고 있으며 시설 보수가 끝나는 2023년경에는 1시간에 1시간 속도로 중력파 검출이 가능하다고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.