2015년 9월 14일, 인류는 처음으로 우주의 진동을 포착했다. 미국 루이지애나와 워싱턴주에 설치된 레이저간섭계중력파관측소(LIGO·라이고)가 약 13억 광년(光年·1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 두 블랙홀 충돌에서 나온 중력파(重力波)를 잡아낸 것이다.

미국·한국·독일·영국 등 13국 과학자 1000여명이 참여한 라이고 연구단은 이듬해 2월 11일 미국 워싱턴과 영국 런던, 이탈리아 피사 등에서 동시에 기자회견을 열고 중력파 검출 사실을 공식 발표했다. 시공간의 일그러짐을 감지한 이 순간은 과학사에 길이 남는 대사건이었다. 중력파 첫 검출로부터 10년이 지난 지금, 인류는 중력파를 통해 우주의 진화 과정을 밝히고 있다. 이른바 ‘중력파 천문학’의 시대가 열렸다.

◇상대성이론이 예측한 우주 대사건

중력파는 100년 전 아인슈타인이 우주의 운동을 설명하면서 예측한 현상으로, 별의 폭발이나 블랙홀 생성 등 우주에 초대형 사건이 발생할 때 중력 에너지가 물결처럼 퍼져 나가는 것을 말한다. 1915년 알베르트 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표하며 천에볼링공을 떨어뜨리면 움푹 꺼지는 것처럼, 천체가 격렬하게 활동하면 주변 시공간이 뒤틀리고 중력파가 발생한다고 예견했다.

이형목 서울대 물리천문학부 교수 겸 중력파연구협력단장은 “사람이 지나가도 중력은 아주 미세하게 흔들리지만, 감지하기에는 너무 약하다”며 “블랙홀이나 중성자별처럼 무거운 별이 합쳐질 때 비교적 크게 나오며, 이 파동은 공간 자체를 출렁이게 만든다”고 설명했다.

문제는 중력파 신호가 너무 약해 검출하기가 어렵다는 사실이었다. 별의 폭발이나 블랙홀 생성 등 우주에 초대형 사건이 발생할 때 중력 에너지가 중력파의 형태로 나오리라는 것은 예측됐지만, 신호가 극도로 미약해 직접 관측할 수 없어 보였다.

전환점은 1990년대 중반 미 국립과학재단(NSF)과 미 항공우주국(NASA)의 지원으로 시작된 라이고 프로젝트였다. 라이고 관측소에는 4㎞ 길이의 거대한 진공관 두 개가 L자 형태로 뻗어있고, 진공관 양 끝에는 거울이 있다. 레이저 빔을 진공관 양 끝의 거울 사이로 왕복시키다가, 중력파가 지나가면 진공관이 휘면서 레이저 빔이 날아가는 거리가 약간 바뀌는데, 이 변화를 측정해 시공간의 미세한 변형을 측정하는 방식이다.

◇중력파 천문학, 블랙홀 합병 3일마다 관측

라이고 연구에 참여했던 과학자들은 이 실험을 ‘불가능에 가까운 도전’이라 불렀다. 지진이나 바람, 온도 변화 같은 미세한 잡음조차 결과를 흔들었기 때문이다. 국제 공동 연구진은 수십 년 동안 장비를 업그레이드하고 실패를 반복하며 실험을 이어갔다.

마침내 아인슈타인이 중력파의 존재를 예측한 지 100년 만에 첫 신호가 잡혔다. 당시 검출된 중력파는 태양 질량의 30배에 이르는 블랙홀 두 개가 합쳐지면서 태양 질량의 62배에 이르는 거대 블랙홀이 만들어지는 과정에서 발생했다. 이어 같은 해 12월 또 다른 블랙홀이 병합될 때 나오는 신호까지 포착됐다.

블랙홀은 질량이 매우 큰 별이 극단적으로 수축한 천체로, 중력이 매우 커 물질은 물론 빛까지도 빨아들인다. 이름이 영어로 ‘검은 구멍’이란 것도 그 때문이다.

그 후 중력파 검출은 단발성 성과가 아니라 ‘중력파 천문학’이라는 새로운 학문으로 자리 잡았다. 가시광선이나 전자기파로는 볼 수 없는 블랙홀이나, 별이 수명을 다 하고 폭발한 중성자 별을 중력파로 관측할 수 있게 됐다. 중력파와 전자기파를 함께 관측하면, 중력파의 진원지 위치를 더 정확하게 알 수 있어 천체 현상의 특성을 자세히 연구할 수 있다.

이런 성과를 인정받아 2017년 노벨 물리학상은 첫 중력파 검출에 이바지한 라이너 바이스(Rainer Weiss) 미국 매사추세츠 공과대(MIT) 명예교수와 배리 배리시(Barry Barish) 미국 캘리포니아 공과대(캘텍) 명예교수, 킵 손(Kip Thorne) 캘텍 명예교수에게 주어졌다.

중력파 검출은 이제 과학계의 일상이 됐다. 라이고는 이탈리아의 중력파 검출기인 비르고(Virgo), 일본의 가그라(KAGRA)와 협력해 감도를 두 배 이상 끌어 올렸다. 이제 관측이 가능한 우주의 범위는 두 배 넓어지고 은하는 여덟 배 더 많이 포착할 수 있게 됐다. 2015년 이래 세 검출기가 기록한 중력파 사건은 300건을 넘어섰다. 데이비드 라이츠(David Reitze) 라이고 관측소 책임자는 국제 학술지 네이처에 “우리는 이제 평균 사흘마다 블랙홀 합병을 보고 있으며, 앞으로 더 좋아질 일만 남았다”고 밝혔다.

◇호킹의 블랙홀 이론도 입증

무엇보다 중력파를 잡아내는 감도가 높아지면서, 최근에는 스티븐 호킹이 1971년 제시했던 ‘블랙홀 면적 정리’를 관측으로 검증하는 데까지 발전했다. 호킹의 정리는 두 블랙홀이 합쳐지면서 최종 블랙홀의 표면적이 반드시 커진다는 내용이다. 라이고 연구진은 2015년 첫 관측보다 훨씬 더 선명한 데이터를 바탕으로, 블랙홀의 ‘울림’을 정밀 분석해 호킹의 정리가 놀라울 정도로 정확히 맞아 떨어진다는 사실을 확인했다.

캘텍의 카테리나 차치오아누(Katerina Chatziioannou) 교수는 “이제 우리는 블랙홀이 병합될 때 마치 종이 울리듯 떨리는 소리를 또렷하게 들을 수 있게 됐다”며 “이를 통해 물리 법칙의 근본을 시험할 수 있다”고 말했다.

현재 라이고 검출기는 인간이 만든 가장 정밀한 ‘자’로 불린다. 머리카락 굵기의 700조분의 1 수준의 변화까지 잡아내기 때문이다. 여기에 양자 잡음을 억제하기 위한 최첨단 기술, 새로운 인공지능(AI) 분석 도구까지 가세하면서 감도는 해마다 높아지고 있다. 네르기스 마발발라(Nergis Mavalvala) MIT 교수는 “라이고는 여전히 기술적 경이로움을 보여준다”며 “검출기가 발전할수록 우리는 더 멀고 더 희미한 우주를 갈망하게 된다”고 말했다.

앞으로 인도에 세 번째 라이고 관측소가 건설되면 중력파 검출기 네트워크의 정밀도가 비약적으로 향상될 전망이다. 나아가 미국에서는 길이 40㎞에 이르는 초대형 ‘코스믹 익스플로러’, 유럽에서는 ‘아인슈타인 망원경’ 같은 차세대 관측소도 구상하고 있다. 이런 거대 장비가 가동되면 인류는 우주가 탄생한 빅뱅(Big Bang·대폭발) 직후 첫 블랙홀 병합까지 직접 볼 수 있을 것으로 기대된다.

라이고 개념을 처음 제안했던 라이너 바이스 교수는 생전 “이게 실현될 가능성은 거의 없다”고 말했지만, 반세기 넘는 도전 끝에 불가능은 가능이 됐다. 아미르 알리(Aamir Ali) 미 국립과학재단(NSF) 프로그램 책임자는 “불과 10년 전만 해도 우리는 처음으로 우주의 파동을 듣기 시작했을 뿐이었다”며 “앞으로는 이 새로운 창을 통해 전혀 알지 못했던 우주의 역사를 다시 쓰게 될 것”이라고 말했다.

참고 자료

Physical Review Letters(2025), DOI: https://doi.org/10.1103/nwgd-g3zl

Physical Review Letters(2016), DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102

중력파는 별이 어떻게 진화했는지, 우리은하가 어떻게 형성됐고 분포해 있는지, 초기 우주의 원소는 어떻게 만들어졌는지 등 우주의 기원을 이해하는 중요한 단서가 됩니다.

이형목 서울대 천문학과 교수(중력파우주연구단장)

2015년 9월, 인류는 처음으로 ‘우주의 떨림’을 포착했다. 아인슈타인이 예측한 지 100년 만에 중력파(重力波)가 지구에 닿은 것이다. 두 블랙홀이 서로를 돌다 합쳐지며 남긴 마지막 파동이 미국 라이고(LIGO·레이저간섭계중력파관측소) 검출기에 찍혔다. 그로부터 10년, 중력파는 이제 우주를 보는 새로운 ‘눈’이 됐다.

이형목 서울대 천문학과 교수(중력파우주연구단장)는 조선비즈와의 인터뷰에서 “지금까지 포착한 중력파 사건만 약 300건”이라며 “처음 하나만 나와도 신기했는데, 이제는 블랙홀의 분포와 진화를 중력파 통계로 논할 수 있는 단계에 이르렀다”고 말했다.

◇별과 블랙홀 진화 연구까지 가능

중력파 관측은 미국 라이고 2대, 이탈리아 비르고(Virgo), 일본 가그라(KAGRA) 등 총 4대의 검출기가 맡고 있다. 전 세계 연구자 2200여 명이 공동 관측망(LVK·LIGO-Virgo-KAGRA)을 이루고 있으며, 한국 연구진도 참여 중이다. 이 교수 역시 라이고 협력단 1600명 중 한 명이다. 한국인 연구자는 40여 명이 LVK에 속해 있다.

이 교수는 “중력파는 무거운 천체 두 개가 가까이서 궤도 운동을 하다 합쳐질 때 나온다”며 “시공간이 출렁여 두 점 사이의 거리가 미세하게 늘었다 줄었다 하는 식으로 느낄 수 있다”고 설명했다. 라이고는 레이저가 두 거울 사이를 오가는 거리의 미세한 변화로 중력파를 감지했다.

중력파를 만든 무거운 천체는 블랙홀이다. 질량이 매우 큰 별이 극단적으로 수축한 천체로, 중력이 매우 커 물질은 물론 빛까지도 빨아들인다고 영어로 ‘검은 구멍’인 블랙홀이란 이름이 붙었다. 13억 광년(光年·1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 블랙홀 쌍성에서 시작된 첫 중력파는 시공간을 미세하게 흔들며 지구까지 도달했다. 이 교수는 2015년 첫 검출 당시를 떠올리며 “진짜로 신호가 잡혔다는 걸 확인했을 때 전율이 느껴졌다”고 말했다.

라이고가 첫 가동될 때 3개월 동안 중력파 3건을 포착했지만, 지금은 일주일에 2건씩 발견돼 누적 관측 건수는 300건을 넘는다. 중력파를 통해 예상보다 질량이 큰 블랙홀이 많다는 사실도 드러났다. 이 교수는 “처음엔 ‘우주에 이런 게 있구나’ 정도였지만, 이제는 질량·거리·회전축 등을 계산해 블랙홀 진화를 연구할 수 있는 단계까지 왔다”며 “항성(별) 진화 과정과 블랙홀 병합 방식에 대한 기존 모델을 수정해야 할 수도 있다”고 말했다.

◇“韓, 우주 팽창과 암흑에너지 연구 주도”

중력파 연구는 아직 걸음마 단계다. 전 세계 검출기는 4기뿐이다. 구축하는 데 수십년이 걸리고, 운영에는 수천억원이 들어가기 때문이다. 이 교수는 “우리나라가 당장 검출기를 만들긴 어렵지만, 글로벌 협력망에서 데이터 분석과 전자기파 후속 관측 분야로 영향력을 키울 수 있다”고 말했다.

과거 우주는 천체에서 나오는 빛으로만 관측할 수 있었다면, 이제는 천체 충돌로 나오는 중력파와 전자기파, 입자 등 여러 신호를 동시에 포착해 다각적으로 접근할 수 있다. 바로 다중신호 천문학 시대가 열린 것이다. 이 교수가 단장을 맡은 중력파우주연구단은 2021년 출범 이후 다중신호를 포착하고 인공지능(AI)으로 분석해 우주 팽창의 정도를 나타내는 허블 상수를 정밀하게 측정하고 있다.

이 교수는 “중력파로 우주의 팽창 역사를 재구성할 수 있다”며 “이는 암흑에너지 연구와 직결된다”고 말했다. 과학자들은 우주에서 빛을 내 우리가 관측할 수 있는 물질은 5%에 불과하고 70%는 우주가 팽창하도록 밀어붙이는 암흑에너지라고 본다. 나머지 25%는 빛을 내지 않으면서 물체를 끌어당기는 암흑물질로 불린다.

서울대는 칠레 산티아고에서 약 480㎞ 떨어진 안데스산맥 엘 사우스 천문대에 다파장 광학망원경을 설치했다. 중력파우주연구단은 이 망원경으로 중력파가 발생하고 바로 나오는 빛인 킬로노바(kilonova)를 세계에서 가장 빠르게 포착하는 것을 목표로 하고 있다. 킬로노바는 수명이 다해 폭발한 중성자별들이 충돌하면서 주변에 강렬한 빛을 내는 현상으로, 철보다 무거운 원소들이 우주에 퍼지게 된 원인으로 알려져 있었다.

이 교수는 “우리가 사는 3차원 공간에 시간, 파장, 밝기, 시선 속도를 각각 1차원씩 더해 7차원으로 관측한다”며 “이를 통해 킬로노바뿐 아니라 거대 질량 블랙홀의 무게 측정, 우주 팽창률 계산, 전 하늘의 스펙트럼 지도 제작까지 가능하다”고 설명했다. 그는 또 “중력파가 감지되면 하늘 전체를 빠르게 스캔해야 한다”며 “우리 망원경은 여러 파장에서 밝기 변화를 동시에 측정해 킬로노바 여부를 신속하게 판별할 수 있어, 스펙트럼 측정 속도가 큰 장점”이라고 말했다.