[별별 이야기] 30억 광년을 날아온 중력파/안상현 한국천문연구원 선임연구원

입력 : ㅣ 수정 : 2017-07-11 01:13

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안상현 한국천문연구원 선임연구원

▲ 안상현 한국천문연구원 선임연구원

우주 저 멀리에서 두 블랙홀이 병합할 때 생긴 시공간의 파문이 30억 광년을 날아와 지난 1월 4일 미국 대륙에 있는 두 대의 ‘라이고’ 중력파 검출기에 검출됐다. 세 번째로 검출된 이번 중력파는 태양 질량의 32배인 블랙홀과 19배인 블랙홀이 합쳐지면서 태양 질량의 49배인 블랙홀이 생겼고, 그 과정에서 태양 질량의 2배에 해당하는 에너지가 파동을 만들어 우주로 방출된 것이다.

처음 두 블랙홀은 서로 중력으로 묶여 공전하고 있었다. 공전할 때마다 계속 중력파를 내면서 에너지와 각운동량을 잃어서 더욱 다가가게 된다. 가까이 다가갈수록 공전 주기는 짧아지므로 두 블랙홀은 더 가까워지고 점점 강하고 높은 진동수의 중력파가 만들어진다. 이 시기의 중력파는 호수에 돌을 던졌을 때 사방으로 퍼져 가는 물결과 같은 파장으로 나타난다. 두 블랙홀이 병합해 하나의 블랙홀이 만들어진 직후에는 블랙홀이 출렁거리기 때문에 특유의 파문이 나타난다. 이 출렁거림은 1000분의1초 동안만 나타난다. 그 직후에는 블랙홀이 조용해진다.

그런데 블랙홀은 자전도 한다. 두 블랙홀의 자전축 방향이 다르면 ‘맥놀이 현상’이 일어나게 되고 자전축이 정렬돼 있다면 맥놀이 현상은 나타나지 않는다. 맥놀이는 원래 소리와 부딪혀 되돌아오는 소리가 마주치면서 진폭이 커졌다 작아졌다 하는 현상이다. 이번에 검출된 세 번째 중력파의 파형은 두 블랙홀이 서로 다가가던 때 방출된 시공간의 파문이 오랫동안 관측됐다. 분석 결과 두 블랙홀은 공전축에 대해서 자전축이 수직 방향으로 정렬하지 않고 있었음을 알 수 있었다.

천문학자들은 만일 두 블랙홀이 처음에 쌍성으로 묶여 있었던 별들이었다면 별들의 진화 단계에서 서로 강하게 영향을 미쳐서 각각의 자전축이 공전면에 수직으로 정렬할 것으로 예측하고 있었고 만일 자유롭게 날아다니던 두 블랙홀이 포획되어 블랙홀 쌍성이 됐다면 자전축이 정렬할 까닭이 없다고 예측하고 있었다. 그러므로 블랙홀 자전축이 정렬되어 있지 않았다는 사실로부터 블랙홀 쌍성이 어떻게 만들어졌는지를 추론해 볼 수 있었다.

지난 6월 25~30일 세종시 인근 한 대학에서는 중력파 여름학교가 열렸다. 80명의 학생과 20명의 중력파 천문학자들이 모여서 상대성 이론, 중력파 천체물리학, 유체역학, 인공지능 등에 관해 집중적으로 공부했다.

여름학교가 진행되는 동안에도 전 세계의 과학자들은 우주와 생명, 자연의 비밀을 밝혀내고 있다. 우리나라도 이제 그런 수준에 올라가야 할 때다. 조선 세종 시대의 천문학 발전을 보면 단 한 세대라는 짧은 시간에도 그런 위대한 역사를 만들어 낼 수 있다. 문제는 행동이고, 그 행동은 우리의 의식을 개혁해야 나올 것이다.
2017-07-11 29면
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