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일상 되어 가는 중력파 관측 벌써 50건 돌파…"다체급 블랙홀 관측 가능해져"

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일상 되어 가는 중력파 관측 벌써 50건 돌파…"다체급 블랙홀 관측 가능해져"

2020.10.29 09:00
장치 향상으로 관측 효율 높아져
질량이 9.2배 차이가 나는 두 블랙홀이 충돌하는 모습을 시뮬레이션한 영상이다. 중력파 관측 사례가 늘면서 예상하지 못한 다양한 사례들이 축적되고 기존 이론을 수정해야 할 발견도 이어지고 있다. 막스플랑크 중력물리학연구소 제공
질량이 9.2배 차이가 나는 두 블랙홀이 충돌하는 모습을 시뮬레이션한 영상이다. 중력파 관측 사례가 늘면서 예상하지 못한 다양한 사례들이 축적되고 기존 이론을 수정해야 할 발견도 이어지고 있다. 막스플랑크 중력물리학연구소 제공

우주에서 발생해 지구에서 관측에 성공해 공식적으로 집계된 ‘중력파’의 수가 50개로 늘어났다. 50개의 기존의 11개에 비해 4배 이상 늘어난 수다. 중력파 관측이 천체 연구의 일상적인 수단이 되면서 그 동안 난제로 여겨지던 여러 가지 우주 관련 연구들이 해결될 것이라는 기대가 나온다. 실제로 관측 사례가 늘면서 기존 이론이나 관측 결과로 설명할 수 없는 독특한 천문 현상이 계속 보고되고 있다.


중력파 관측을 위한 국제 연구협력 단체인 ‘라이고 연구협력단’과 ‘버고 연구협력단’은 공식 집계한 중력파 관측 신호가 50개로 늘어났다고 29일(현지시간) 밝혔다. 


중력파는 질량을 지닌 물체가 속도가 변하는 운동(가속도운동)을 할 때 발생해 우주에 퍼지는 일종의 파동이다. 보통 블랙홀이나 중성자별 등 질량이 매우 밀집한 천체가 서로 충돌해 하나로 합쳐치는 과정에서 발생한다. 이 경우 합쳐진 별은 합쳐지기 전에 질량이 약간 줄어드는데, 줄어든 질량이 중력파로 바뀐다.


라이고와 버고는 이렇게 발생한 중력파가 지구를 지날 때 시공간을 변화시키는 순간을 빛(레이저)을 이용해 정밀하게 측정하는 시설이다. ㄱ자 모양으로 구부러진 긴 터널 안 양끝에 거울을 설치하고 가운데에서 양쪽 팔 방향으로 동시에 레이저를 쏴 왕복이동시키면서 파장에 의해 시공간이 늘어나는지 측정한다. 중력파가 지나면 양쪽 팔의 거리가 매우 작게 변화하는데, 이를 검출하고 신포 패턴을 분석해 중력파의 통과 여부를 관측한다. 라이고는 미국, 버고는 이탈리아에 각각 설치돼 있으며 기관에 소속되지 않은 전세계 천체물리학자들이 함께 연구협력단을 구성해 공동으로 데이터분석과 연구를 하고 있다. 국내에서도 한국중력파연구협력단이 결성돼 참여하고 있다.


이번에 라이고와 버고 협력단은 2019년 4월부터 시작된 3차 운영 기간(O3) 중 초반 6개월 동안 검출한 중력파 후보 신호를 검증한 끝에 새로운 신호 39개를 중력파 신호로 공식 확인했다. 기존에 공식적으로 집계됐던 중력파 관측 신호는 11개로, 관측된 전체 중력파 신호는 50개로 대폭 늘었다. 단순히 수만 는 게 아니라, 전파망원경 등 기존 천체 관측 수단으로는 한 번도 발견하지 못했던 질량대이 블랙홀을 대거 발견하는 등 '우주를 보는 눈'을 확장했다는 평이다(아래 그림). 두 연구협력단은 “5일에 한 번 꼴로 중력파를 관측해 중력파를 일상적으로(routinely) 관측하는 시대에 접어들었다”라며 중력파 관측이 주요한 천체물리학 연구 수단이 됐음을 밝혔다.

 

라이고와 버고를 이용해 관측한 블랙홀(파란색) 및 중성자별(오렌지색) 병합 현상을 표현했다. 두 천체가 만나 하나의 큰 천체로 병합된 경우 선으로 연결돼 있다. 노란색은 전파망원경 등 전자기파를 이용해 관측한 중성자별이고, 보라색 역시 전자기파로 관측한 블랙홀이다. 중력파로 기존 수단으로 찾지 못하던 질량대를 대거 발견했음을 알 수 있다. 라이고 버고 연구협력단 제공
라이고와 버고를 이용해 관측한 블랙홀(파란색) 및 중성자별(오렌지색) 병합 현상을 표현했다. 두 천체가 만나 하나의 큰 천체로 병합된 경우 선으로 연결돼 있다. 노란색은 전파망원경 등 전자기파를 이용해 관측한 중성자별이고, 보라색 역시 전자기파로 관측한 블랙홀이다. 중력파로 기존 수단으로 찾지 못하던 질량대를 대거 발견했음을 알 수 있다. 라이고 버고 연구협력단 제공

사례가 크게 늘면서 독특한 중력파 형성 사례도 많이 발견됐다. 이미 일부는 논문을 통해 세상에 공개가 됐다. 블랙홀과 중성자별은 각각의 질량 범위가 있는데, 그 질량범위를 넘어서는 애매한 천체가 발견되기도 했고 (2020년 6월 29일자 초소형 블랙홀인가 초대형 중성자별인가...중력파로 발견한 미지의 천체), 지금까지 발견된 가장 큰 블랙홀 충돌 및 병합 현상이 확인되기도 했다(2020년 9월 2일 지금까지 발견된 가장 큰 블랙홀 병합 중력파로 첫 확인). 그 외에 중력파 두 개의 충돌 현상, 질량차이가 매우 큰 두 블랙홀의 충돌 현상 등도 공개됐다.


이번에는 지금까지 관측된 가장 작은 질량의 블랙홀 병합 현상이 새롭게 관찰됐다. 하나는 태양 질량의 6배와 9배의 블랙홀이 충돌해 합쳐진 경우다. 다른 하나 역시 태양 질량의 6배인 작은 블랙홀이 참여한 충돌 현상인데, 나머지 하나의 정체가 모호하다. 세르게이 오소키네 포츠담 독일 막스플랑크 중력물리학연구소 연구원은 “하나는 태양 질량의 6배인 작은 블랙홀이 중성자별로 추정되는 별과 충돌해 병합한 현상으로 보인다”라며 “다만 신호가 약해 확실히 결론을 내리지는 못하고 있다”라고 말했다.


이 같이 폭발적으로 관측 사례가 늘어난 것은 장비 업그레이드로 감도가 높아졌기 때문이다. 카르스텐 단츠만 중력물리학연구소장은 “레이저 출력을 높이고 거울을 개선해 노이즈를 제거한 덕분에 중력파 병합 현상 검출 능력이 1만 배 높아졌다”라고 말했다.


천체물리학자들은 중력파 관측 사례가 늘면서 광범위한 분야에 대한 연구가 가능해질 것으로 기대하고 있다. 프랭크 오메 중력물리학연구소 연구원은 “태양 질량과 비슷한 천체부터 태양의 90배 질량의 블랙홀까지 매우 다양한 사례가 관찰되고 있다”라며 “O3 운영 하반기에도 20개 이상의 추가 중력파 신호 후보가 있는 만큼 더 다양한 사례들이 연구될 것”이라고 말했다.
 

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