중력파천문학의 성과 둘, 중원소 합성-블랙홀 다수 발견

중력파 물리학자의 오·죠은궁 국가 수리 과학 연구소 박사. 대전=최 토시 주석(최·쥬은속)선임 기자 [email protected] 1. 친밀한 중력파 과학자 국가 수리 과학 연구소의 오정근(오·죠은궁)박사는 중력파와 관련,”일반에게 가장 친밀한 과학자이다. 미국의 중력파 검출기 LIGO(라이고)이 중력파 검출에 성공했다는 뉴스가 나온 직후의 2016년 2월에 펴낸 책”중력파 아인슈타인의 마지막 선물”은 지금까지 큰 사랑을 받고 있다. 4월 16일 대전 대덕 연구 개발 특구 내의 국가 수리 과학 연구소에서 만난 오 박사는 출판 3년 된 자신의 책이 “8쇄가 팔리고 있다”라고 말했다. 최근 출판된 과학 책이 8쇄를 찍은 예는 드문 것이 아닌가 싶다. 중력파는 블랙 홀과 블랙 홀, 혹은 중성자 별과 중성자 별이 충돌해서 생기는 시공간을 흔드는 파장이다. 오 박사를 만난 것은 2015년 인류가 중력파를 처음 검출한 뒤 중력파 연구에 어떤 진전이 있었는지 묻기 위해서였다. 오 박사는 한국 중력파 연구 협력단 총무 간사로 한국의 중력파 연구에 정통하다. 그는 “4월에만 중력파가 2개 확인된 “으로 흥분한 목소리로 이야기를 시작했다.(이 글을 쓰고 있는 5월 2일 시점에서는 중력파가 더 발견됐으며, 모두 5개 확인됐다.)그는 “LIGO3차 가동이 4월 1일에 시작됐지만 이미 성과가 나온 “로서 대형 모니터 화면에서 2개의 중력파 검출 사건을 보였다. 중력파 첫 검출 이후 연구가 많이 이뤄진 자신의 “중력파”책도 개정 증보판을 내야 한다고 말했다. 2. 중력파는 중력파는 2015년 9월 14일 처음 발견된 이후 지금까지 총 11건이 검출됐다. 중력파와 추정되는 후보도 14개에 이른다. 중력파 검출기는 지구촌에 몇가지 있지만 가장 유명한 것은 미국의 LIGO이다. LIGO관측소는 미국 한 포드(워싱턴 주)와 리빙그스통(루이지애나)의 2곳에 있다. 이외에도 이탈리아의 피사 근처에 유럽 6개국의 실험 시설인 VIRGO(빌딩고)이 있다. 일본에는 KAGRA(가그라)중력파 검출기가 운영되고 있다. 이 중 중력파를 처음 검출한 LIGO는 1차 가동(2015년 9월 12일~2016년 1월 19일), 2차 가동(2016년 11월 30일~2017년 8월 25일)을 성공적으로 갖고 4월 3차 가동에 들어갔다. 3차 가동은 2020년 2월까지 계속된다. 직각형의 가로 세로 각각 4km크기의 LIGO는 지금까지 도중에 가동을 중단하고 시설을 업그레이드했다. LIGO는 원자 지름 크기의 짧은 파형도 포착되는 민감도를 가지고 있다고 한다.

이탈리아 피사의 근처에 있는 VIRGO. 유럽 6개국이 만든 중력파 검출기다./이미지 LIGO3. 중력파 천문학의 최초의 성과, 무거운 원소 합성에 관한 이·헤오 죠은궁 박사는 일단 중력파 검출이 물리학에 가져온 2개 성과를 설명했다. 첫째는 무거운 원소 합성이 중성자 별 충돌로 대대적으로 일어난다는 점을 관측한 것이고, 두번째 성과는 블랙 홀 충돌이 지금까지 생각보다 더 우주에 훨씬 많은 것을 알아냈다는 점이다. 이 때문에 우주 진화 시나리오를 재검토해야 하는 아니냐는 주장까지 나온다. 우선 무거운 원소 합성 이야기. 이는 2017년 8월 17일의 중성자 별과 중성자 별 충돌에서 관측됐다. 오 박사는 이 사건이 관측일에 의한 “GW170817″로 불린다고 한다”LIGO의 아버지들이 노벨상을 수상한 것보다 더 큰 사건이었다”라고 말했다. LIGO을 만든 물리학자인 키프송들 3명이 이 사건을 관측하던 해에 노벨 물리학 상을 수상했다. 오 박사는 ” 무거운 원소가 합성되는 것은 중력파 검출기를 비롯한 각종 다양한 망원경이 관측한 때문에 발견이 가능했다”며” 이렇게 한 천문학 사건을 다양한 망원경으로 관측할 『 다중 신호 천문학 』다는 “이라고 소개했다. “당시 사건은 중력파 검출기를 비롯한 우주와 지상에 있는 각종 천문대도 관측했다. 그래서 사건 관련 논문 공동 저자가 무려 3500명이나 됐다. 이 정도의 숫자는 세계 천문학자의 3분의 1규모다”당시, 중력파가 검출되고 1.7초 만에 지구 궤도에 있는 페르미 우주 망원경이 감마선 폭발도 확인했으나 이에 대한 오 박사의 설명은 이렇다. “시간적으로 1.7초 차라면 중력파와 감마선 폭발이 같은 곳에서 왔는지 의심하고 볼 수 있다. 그러자 파의 출처 분석 작업에 들어간다. 은하 목록이 있지만 물살이 온 방향을 보면 수백개의 은하들이 후보로 떠올랐다. 그 중에서도 타원 은하이다 NGC4993주변이 의심됐다. 이 은하는 바다 뱀 자리에 있다.”중력파 관찰 논문의 공동 저자 3500명의 과학자들이 은하 목록을 보고 인근 지역을 두리번거리는 때 NGC4993은하 주변에서 일찍이 보지 못 했던 별이 갑자기 빛나기 시작했다. 중력파 도달 11시간이 지났을 때였다. 이른바”킬로 노바”이었다. 킬로 노바는 중성자 별끼리 충돌할 때 나타나면 이론상 예상되던 별인데 그것까지 관측된 적이 없다. 아닌 별이 빛나는 것을 샛별, 영어로는 노바(NOVA)이라고 한다. NGC4993에 보이는 별은 일반”노바”보다 1000배 정도 밝은 “킬로 노바”이었다. 이후 지상 천문대까지 모든 전자파의 망원경으로 이 중성자 별 충돌 사건을 16일 관측했다. 오·죠은궁 박사는 “이 사건을 다양한 수단으로 관측하면서 거기에서 나온 광 스펙트럼을 보았다. 그 결과 무거운 원소가 중성자 별 충돌로 만들어지는 것을 확인했다”이라고 말했다. 57번 랜턴족 원소 이상의 무거운 원소의 기원이 중성자 별 충돌인 것을 확인했다는 것이다. ” 가벼운 원소에 중성자를 많이 붙여야 무거운 원소가 만들어진다. 그러나 초신성이 폭발해서는 우주에 존재하는 무거운 원소의 양을 설명할 충분한 양의 중성자가 만들어지지 않는다. 중성자 별에는 중성자가 많아서, 중성자 별이 충돌하면 중성자를 빨리 한다” 빠른 포획 과정(R-process)”이 일어나지 않을까 생각했지만 그것이 확인된 것이다”저는 무거운 원소는 초신성이 폭발하고 만들어지는 것만 알고 있었다. 예를 들면 과학 저술가 마커스 첫 구름”마법의 용광로”은 초신성이 폭발할 때 가공할 수 있는 열과 압력이 만들어지고 그 중에서 우라늄까지 무거운 원소가 합성된다고 설명했다. 이에 대해서 오 박사는 “그것은 과거의 이론이다. 요즘은 초신성만으로는 부족한다. 그래서 중성자를 빨리 가벼운 원소에 붙여R프로세스가 아니면 안 된다고 생각해서 이번 중성자 별 충돌로 그것이 확인된 “이라고 설명했다. 오·죠은궁 박사에 앞서서 취재한 부산대 이·장 황 교수부터 이 중력파 사건에 대해서 들은 적이 있다. 이 교수는 당시 지구보다 큰 분량의 순금을 만들어졌다고 말했다. 그는 무거운 원소이다. 오 박사는 “지상에서도 무거운 원소 합성 방법을 만드는 환경을 만들려는 실험이 바로 대전에 짓고 있는 중 이온 가속 실험”이라며”과학계는 중성자 별 충돌 사건을 매우 놀라운 것으로 보고 있다. 노벨상 수상보다 큰 행사다”고 강조했다.

일본의 중력파 검출기 KAGRA. 뉴트 리노를 검출하고 노벨상을 2개나 만들어 낸 카미오 신출 실험 시설에 들어갔다./이미지 KAGRA4. 중력파 천문학의 2번째 성과,”블랙 홀이 왜 이리 많니?”다음은 블랙 홀 이야기. 그는 “그동안 LIGO가 검출됐다 11건의 중력파를 보면 블랙 홀 사건이 더 재미 있어”이라고 말했다. 그에 따르면 블랙 홀 바이너리 충돌은 생각보다 많다. 예를 들어 4월부터 가동한 3차 LIGO도 가동 반 달이 못 차서 2개의 블랙 홀 충돌 중력파를 검출했다는 것이다. 그에 따르면 점점 검출 수법이 향상되고 있어 블랙 홀 충돌 사건을 앞으로 더 많이 발견하는 것으로 보인다. LIGO2차 가동이 끝난 후 과학자들은 지금까지의 데이터를 재분석한 뒤 결과를 논문으로 내놓았으나 관측 전체를 요약했다고 해서”카탈로그 논문”로 불린다. 분석을 고도화하고 보면 이 자료에는 그동안 몰랐다 블랙 홀 바이너리 충돌 사건이 4개 차지하고 있었다. 그리고 중력파 사건으로 보인다 14의 후보 사건(marginalevents)도 확인했다. “후보 사건”은 현재 실체를 정확히 모르지만 나중에 더 좋은 기법으로 분석하면 중력파 사건인지 여부를 확인할 수 있다는. 그래서 중력파 발생 사건은 총 4건이 추가된 11건이 됐다. 오 박사는 “블랙 홀 바이너리 충돌이 우주에서 흔한 현상이라는 것이 드러나고 있다. 이처럼 블랙 홀이 좋은 다른 천체를 포식하고 있다면 거대 질량 블랙 홀이 어떻게 생겨났는지에 대한 답을 줄 수 있다”고 말했다. 예컨대, 우리 은하의 중심에는 태양 질량의 65억배 정도나 되는 무거운 블랙 홀이 있지만 이 거대한 블랙 홀이 어떻게 탄생했는지에 대해서는 크게”초기 우주 블랙 홀”과 “포획설”등 2가지 가설이 있다. 이 중”초기 우주 블랙 홀”은 우주 초기 중력에 의해서 모인 물질을 한번에 흡수하고 이것이 수축해서 거대한 블랙 홀이 됐다는 주장이다. 초기의 우주에는 공간이 그다지 크지 않았기 때문에 물질을 빨아들이기가 상대적으로 쉬웠다는 가설이다. 2번째 가설로 “포획설”는 블랙 홀이 다른 천체를 잡아먹는 과정을 통해서 점점 자기 질량을 키웠다는 생각이다. “지금 있는 천체 속에서 블랙 홀이 될 것도 있지만 질량이 가벼운 때문에 블랙 홀이 안 되천체도 시간이 지나면서 주변에 있는 블랙 홀에 먹히게 된다. 그러면 우주에는 블랙 홀만이 가득찬다. 이것이 우주의 궁극적인 모습인지에 대한 답을 찾을 수 있다.”오 박사에 따르면 현재 LIGO가 찾아내는 블랙 홀은 태양 질량의 100배를 넘지 않는 것이다. 그런데 LIGO의 성능은 당초 계획했던 “감도”에는 아직 도달하지 않은 상태에서 앞으로 성능이 더 향상할 예정이다. LIGO감도가 더 높아지면 더 무거운 블랙 홀 바이너리계 충돌 사건도 포착할 수 있다는 것이다. 오 박사는 ” 그래야 우리의 은하의 초거대 블랙 홀로 진화하는 시나리오도 어느 것이 타당한지 추정할 수 있다”라고 말했다. 오 박사에 따르면 다중 신호 천문학에서 중요한 것은 천문대 간 협력 체계 구축이다. “초신성 폭발 같은 천문학 사건은 발생 직후부터 관측하는 것이 천문학자들의 목표이다. 초신성은 폭발 후 며칠 안에 빛이 사라지기 때문에 빛을 보고망원경을 그 방향으로 돌린다고 관측이 느리다. 사건의 마지막 부분만 보게 된다 이 때문에 천문학자들은 LIGO가 중력파를 수신하면 최대한 빨리 지구촌의 천문대에 알람을 울리다. 천문대는 알람에 맞추고 중력파가 날아온 방향으로 망원경을 돌리는 훈련을 해왔다. 오 박사는 “블랙 홀 바이슨 충돌 사건 때부터 훈련을 시작했다. 요즘은 알람이 울리면 30초~1분 이내에 처리하도록 설계되고 있다”라고 말했다. 이런 훈련이 있어 2017년 8월 17일의 중성자 별과 중성자 별 충돌 사건을 다양한 망원경으로 관측할 수 있었다는 것이다.

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