우주의 소리를 듣다

중력파는 무엇이며, 인류는 어떻게 시공간의 떨림을 측정하는가

우리는 오랫동안 우주를 빛으로 바라봤다.

밤하늘을 올려다보면 별이 보인다.

망원경을 사용하면 행성이 보이고, 은하가 보인다.

더 정교한 장비를 사용하면 인간의 눈으로는 볼 수 없는 적외선과 자외선, X선, 감마선까지 관측할 수 있다.

우리는 빛의 종류를 늘려가면서 우주를 더 자세히 바라봤다.

그런데 아무리 좋은 망원경을 만들어도

빛만으로는 볼 수 없는 우주가 있다.

블랙홀끼리 충돌하는 순간도 그렇다.

블랙홀 자체는 빛을 내지 않는다.

두 블랙홀이 합쳐지는 과정에서 발생하는 가장 중요한 흔적 가운데 하나는 빛이 아니라 시공간의 흔들림이다.

중성자별이 충돌할 때도 마찬가지다.

우리는 그 사건에서 나오는 빛을 볼 수 있지만, 사건 자체가 우주를 가로질러 보내는 또 하나의 신호가 있다.

바로 중력파다.

중력파는 눈으로 볼 수 없다.

망원경으로 직접 찍을 수도 없다.

귀로 들을 수도 없다.

그런데도 우리는 그것을 "들을 수 있다"고 표현한다.

실제로 중력파를 소리로 변환하면

블랙홀의 충돌이 짧은 '삐익' 하는 소리처럼 들리기도 한다.

이것은 단순한 비유가 아니다.

인류는 정말로

우주에서 일어난 거대한 사건이 시공간에 남긴 흔들림을 측정하기 시작했다.

지난 편에서는 중성자별이라는 극단적인 천체를 살펴봤다.

이번 편에서는 한 단계 더 나아가

우주를 바라보는 새로운 감각

중력파 천문학의 세계로 들어가 보자.

 

중력은 단순한 힘이 아니다

중력파를 이해하려면

먼저 중력에 대한 생각을 조금 바꿔야 한다.

우리는 일상에서 중력을 힘으로 경험한다.

공을 위로 던지면 떨어진다.

사람은 지면에 붙어 있다.

달은 지구 주위를 돌고

지구는 태양 주위를 돈다.

뉴턴은 이러한 현상을

중력이라는 힘으로 설명했다.

그것만으로도 놀라울 정도로 많은 현상을 설명할 수 있었다.

하지만 아인슈타인은

중력을 완전히 다른 방식으로 바라봤다.

 

공간과 시간은 하나다

아인슈타인의 일반상대성이론에서

공간과 시간은 서로 완전히 독립된 것이 아니다.

둘은 하나의 구조로 연결되어 있다.

우리는 이것을

시공간이라고 부른다.

그리고 질량과 에너지가 존재하면

시공간의 구조가 변한다.

흔히 이것을

고무판 위에 무거운 공을 올려놓는 비유로 설명한다.

무거운 공이 고무판을 휘게 만들고

주변의 작은 공들이 그 휘어진 표면을 따라 움직이는 모습이다.

물론 실제 우주는 고무판이 아니다.

하지만 중력이 단순한 보이지 않는 당기는 힘이라기보다

시공간의 기하학과 관련된 현상이라는 개념을 이해하는 데 도움이 된다.

 

그렇다면 시공간도 흔들릴 수 있을까

그렇다.

질량이 아주 격렬하게 움직이면

시공간의 변화가 파동 형태로 퍼져나갈 수 있다.

그것이 중력파다.

잔잔한 물에 돌을 던지면

파문이 사방으로 퍼져나간다.

중력파도 어느 정도 비슷하게 생각할 수 있다.

하지만 물결이 물이라는 매질을 통해 움직이는 것과 달리

중력파는 시공간 자체의 구조에 나타나는 변화다.

그리고 그 파동은

우주 공간을 가로질러 이동한다.

 

중력파는 누가 예측했는가

1915년,

아인슈타인은 일반상대성이론을 발표했다.

그리고 이 이론을 연구하는 과정에서

중력파와 관련된 해가 등장했다.

중력의 변화가 즉각적으로 우주 전체에 전달되는 것이 아니라

일정한 속도로 파동처럼 전파될 수 있다는 것이다.

그 속도는

빛의 속도와 같다.

초속 약 30만 킬로미터.

즉,

중력의 변화 역시

우주에서 무한히 빠르게 전달되는 것이 아니다.

 

하지만 중력파는 상상하기 힘들 정도로 약하다

여기서 문제가 생긴다.

중력파는 존재한다고 해도

지구에 도착할 때는

상상할 수 없을 만큼 미약해진다.

블랙홀 두 개가 합쳐지는

엄청난 우주 사건이라고 해도

지구에서 측정해야 하는 변화는

매우 작다.

얼마나 작은가?

인류가 만들어낸 정밀한 측정 장비로도

간신히 확인할 수 있는 수준이다.

그래서 중력파를 직접 검출하는 데

수십 년의 연구와 기술 개발이 필요했다.

 

아인슈타인의 예측을 직접 확인하기까지

중력파가 이론적으로 예측된 뒤

과학자들은 오랫동안

그 흔적을 찾으려고 했다.

하지만 기술이 충분하지 않았다.

중력파가 지나가면

공간의 길이가 아주 미세하게 변한다.

문제는 그 변화가

너무 작다는 것이다.

우리가 자를 들고 측정할 수 있는 수준은 물론이고

일반적인 정밀 측정 장비로도

도저히 감지하기 어렵다.

결국 과학자들은

빛을 이용한 거대한 간섭계를 만들었다.

그 대표적인 장비가

LIGO다.

 

LIGO는 무엇인가

LIGO는

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

의 약자다.

한국어로는

레이저 간섭계 중력파 관측소라고 부른다.

이름만 들으면

그저 거대한 망원경이라고 생각하기 쉽다.

하지만 LIGO는

망원경과 완전히 다르다.

하늘을 확대해서 보는 것이 아니라

공간의 길이가 변하는지를 측정한다.

 

거대한 L자 모양의 장치

LIGO의 핵심은

거대한 L자 모양의 두 개의 팔이다.

각 팔은 수 킬로미터 길이에 달한다.

레이저를 두 방향으로 나누어

각각의 팔을 따라 보낸다.

레이저는 끝에 있는 거울에서 반사되어 돌아온다.

그리고 두 빛을 다시 합친다.

이때 빛의 파동이 서로 어떻게 겹치는지를 분석하면

두 팔의 길이에 아주 미세한 차이가 생겼는지 알아낼 수 있다.

이것이

간섭계의 기본 원리다.

 

왜 레이저를 사용하는가

빛은 파동의 성질을 가지고 있다.

두 개의 빛을 겹치면

서로 강화되기도 하고

서로 약해지기도 한다.

이러한 간섭 현상을 이용하면

빛이 이동한 거리의 아주 작은 차이도

측정할 수 있다.

LIGO는

이 원리를 극도로 정밀하게 발전시킨 장비다.

레이저가 두 팔을 왕복하면서

얼마나 정확하게 같은 거리를 이동했는지를 측정한다.

그리고 중력파가 지나가면

그 값이 아주 미세하게 달라진다.

 

중력파가 지나가면 무슨 일이 일어나는가

중력파가 지구를 통과한다고 생각해 보자.

공간은

모든 방향으로 똑같이 늘어나고 줄어드는 것이 아니다.

한 방향의 길이가 늘어나는 순간

그에 수직인 방향은 줄어드는 식의 변화가 발생한다.

그리고 파동이 지나가면서

그 변화가 반복된다.

그래서 LIGO의 두 팔 가운데

한쪽은 아주 조금 길어지고

다른 쪽은 아주 조금 짧아지는 식의 효과가 나타난다.

그 차이를 레이저 간섭계로 측정한다.

 

얼마나 작은 변화인가

여기서 중력파 검출의 놀라운 점이 등장한다.

LIGO가 측정하는 길이 변화는

원자핵보다도 훨씬 작은 수준까지 내려간다.

수 킬로미터 길이의 측정 장비에서

거의 상상할 수 없을 정도로 미세한 변화가 발생한다.

우리가 거대한 건물을 측정하는데

그 건물의 길이가

원자보다도 훨씬 작은 비율로 변하는 것을

찾아내야 한다고 생각하면 된다.

그런데 지진도 있다.

자동차도 지나간다.

바람도 분다.

기계도 진동한다.

열도 변한다.

레이저도 흔들릴 수 있다.

그래서 진짜 중력파를 찾는 것보다

중력파가 아닌 것을 제거하는 것이 더 어려운 경우도 많다.

 

지구는 끊임없이 흔들리고 있다

LIGO가 있는 지구 자체가

완벽하게 고요한 곳이 아니다.

도로에서 자동차가 움직인다.

바다의 파도가 친다.

사람이 걸어다닌다.

지하에서는 미세한 지진이 일어난다.

대기의 움직임도 있다.

장비의 온도도 변한다.

이 모든 것이

레이저 간섭계에 영향을 줄 수 있다.

따라서 중력파 관측소는

가능한 한 외부의 진동을 차단하고

레이저와 거울을 극도로 안정적인 환경에 둔다.

 

거울이 핵심이다

LIGO에는

매우 정밀하게 제작된 거울들이 사용된다.

레이저가 이 거울 사이를

수없이 왕복한다.

거울은

중력파의 미세한 변화를 측정하는

핵심 부품이다.

따라서 거울은

외부 진동으로부터 최대한 격리되어야 한다.

일상적인 진동이

중력파 신호보다 훨씬 클 수 있기 때문이다.

 

중력파를 찾는 것은 우주에서 바늘을 찾는 것과 같다

어떤 중력파는

수십억 광년 떨어진 곳에서 출발한다.

그곳에서

두 개의 블랙홀이 합쳐졌다.

엄청난 에너지가

중력파 형태로 방출됐다.

그 파동이

수십억 년 동안 우주를 여행했다.

그리고 마침내 지구를 지나간다.

하지만 그때의 흔들림은

너무나 작다.

LIGO는

그 작은 흔들림을

지구의 수많은 잡음 속에서 찾아내야 한다.

 

2015년, 마침내 신호가 잡혔다

2015년 9월,

LIGO는 역사적인 신호를 포착했다.

이 사건은 나중에

GW150914라는 이름으로 불렸다.

두 개의 블랙홀이

서로를 돌다가

마침내 합쳐진 사건에서 발생한

중력파였다.

인류가

중력파를 직접 검출한 최초의 사건이었다.

 

아인슈타인의 예측이 100년 만에 확인되다

일반상대성이론이 발표된 지

약 100년이 지난 시점이었다.

아인슈타인이 예측했던

시공간의 파동을

인류가 직접 측정한 것이다.

이것은 단순히

새로운 천체 하나를 발견한 것이 아니었다.

우리가 우주를 관측하는

새로운 방법을 얻었다는 뜻이었다.

천문학의 감각이

하나 더 생긴 것이다.

 

왜 사람들은 중력파를 '우주의 소리'라고 부르는가

중력파는

사람의 귀로 들을 수 있는 소리가 아니다.

소리는 공기 같은 매질을 통해 전달되는 압력파다.

우주 공간의 중력파는

그런 의미의 소리가 아니다.

그런데 과학자들은

측정된 중력파의 파형을

사람이 들을 수 있는 주파수로 변환할 수 있다.

그러면

실제 데이터의 패턴을

소리로 표현할 수 있다.

블랙홀 두 개가 합쳐지는 신호는

처음에는 낮은 주파수였다가

점점 높아지면서

마지막에 짧고 높은 신호로 끝난다.

그래서

우주의 소리를 들었다

고 표현하는 것이다.

 

그 소리에는 블랙홀의 움직임이 담겨 있다

중력파의 파형은

아무렇게나 생기는 것이 아니다.

두 블랙홀이 서로를 돌면서

점점 가까워지는 과정이

파형에 기록된다.

처음에는

약한 신호가 반복된다.

두 블랙홀이 가까워질수록

공전 속도가 빨라진다.

중력파의 주파수도 올라간다.

그리고 마지막에는

두 블랙홀이 합쳐지는 순간

강력한 신호가 발생한다.

이 과정을

인스파이럴 → 머지 → 링다운

이라고 부른다.

즉,

파형만 분석해도

두 블랙홀이 어떻게 움직였는지

추론할 수 있다.

 

중력파는 우주의 기록 장치다

빛도 정보를 전달한다.

하지만 중력파는

완전히 다른 정보를 가지고 있다.

예를 들어

블랙홀은 빛을 거의 내지 않기 때문에

블랙홀 자체를 빛으로 관측하는 데에는

한계가 있다.

하지만 두 블랙홀이 충돌하면

중력파가 발생한다.

그 파동에는

블랙홀의 질량,

회전,

궤도,

충돌 과정 등에 대한

정보가 담겨 있다.

우리는 이 신호를 분석해

눈으로 볼 수 없는 사건을

재구성할 수 있다.

 

중력파로 블랙홀의 질량을 알 수 있다

중력파 신호의 파형은

천체의 질량에 따라 달라진다.

두 블랙홀이 가벼운지,

무거운지,

얼마나 빠르게 회전하는지에 따라

신호가 달라진다.

따라서 컴퓨터 모델과

실제 관측 데이터를 비교하면

충돌한 블랙홀의 특성을 추정할 수 있다.

말하자면

우리는 블랙홀의 모습을 직접 보지 않고도

그들이 만들어낸 시공간의 흔들림을 분석해 정체를 알아내는 것이다.

 

중력파는 빛과 다르게 움직인다

빛은

우주에 존재하는 물질과 상호작용한다.

가스와 먼지가 많으면

빛이 흡수되거나 산란될 수 있다.

블랙홀 주변의 극단적인 환경에서는

빛이 복잡한 경로를 따라 움직일 수 있다.

하지만 중력파는

그러한 환경을 비교적 직접적으로 통과한다.

그래서 우리가 빛으로는 볼 수 없는

우주의 깊은 곳을

중력파를 통해 탐사할 수 있다.

 

우주의 새로운 창문

천문학에서는

새로운 관측 방법이 등장할 때마다

우리가 보던 우주의 모습이 바뀌었다.

가시광선 망원경이 등장했을 때

인류는 처음으로

먼 천체의 구조를 자세히 볼 수 있었다.

전파망원경이 등장하면서

눈에 보이지 않던 우주의 새로운 모습이 나타났다.

X선과 감마선 관측은

고에너지 우주를 보여주었다.

중력파는

그보다 더 근본적으로 다른 정보를 제공한다.

우리는 이제

시공간의 움직임 자체를 관측할 수 있다.

 

중성자별 충돌을 다시 생각해보자

지난 편에서

중성자별 두 개가 충돌하는 장면을 살펴봤다.

두 중성자별은

서로를 돌면서

중력파를 방출한다.

점점 가까워진다.

점점 빠르게 회전한다.

그리고 마지막에는 충돌한다.

이때 발생한 중력파를

지구에서 측정할 수 있다.

그런데 놀라운 것은

중력파만 관측하는 것으로 끝나지 않는다는 것이다.

충돌 뒤에

감마선과 가시광선,

적외선 등도 관측할 수 있다.

 

한 사건을 여러 감각으로 바라본다

이것이

다중신호 천문학의 핵심이다.

중력파는

충돌 자체에 대한 정보를 제공한다.

감마선은

고에너지 폭발을 알려준다.

가시광선은

폭발 뒤의 밝은 천체 현상을 보여준다.

적외선은

무거운 원소가 만들어지는 과정과 관련된 정보를 제공할 수 있다.

각각 다른 신호를 합치면

하나의 사건을

훨씬 더 완벽하게 이해할 수 있다.

 

중력파로 우주의 거리를 잴 수 있다

중력파는

우주 거리 측정에도 활용할 수 있다.

특정 종류의 중력파 신호는

천체의 실제 밝기와 비슷한 개념의 정보를 제공한다.

그래서 신호의 세기를 분석하면

천체가 얼마나 멀리 있는지

추정할 수 있다.

이러한 천체를

표준 사이렌이라고 부른다.

빛을 이용한 표준촛불과

비슷한 역할을 하는 셈이다.

 

우주의 팽창을 측정한다

우리는 우주가 팽창하고 있다는 사실을 알고 있다.

하지만

우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 정확하게 측정하는 것은

생각보다 쉽지 않다.

서로 다른 관측 방법이

조금 다른 값을 제시하면서

현재 천문학에서는

이른바 허블 긴장이라는 문제가 중요한 연구 주제가 되었다.

중력파를 이용한 거리 측정은

이 문제를 해결하는 데

새로운 독립적인 방법을 제공할 가능성이 있다.

 

우주에는 훨씬 더 낮은 주파수의 중력파도 있다

지금까지 이야기한 LIGO는

상대적으로 높은 주파수의 중력파를 관측한다.

하지만 우주의 모든 중력파가

그 범위에 있는 것은 아니다.

아주 무거운 블랙홀들이

천천히 서로를 돌면서 만들어내는 중력파는

훨씬 낮은 주파수를 가질 수 있다.

이런 중력파는

지상에 있는 LIGO만으로는

관측하기 어렵다.

그래서 과학자들은

완전히 다른 규모의 관측 방법을 사용하기 시작했다.

 

우주 자체를 검출기로 사용한다

낮은 주파수의 중력파를 찾기 위해

과학자들은

수많은 펄서를 이용한다.

앞에서 펄서는

매우 정확한 우주 시계처럼 사용할 수 있다고 했다.

그런데 지구와 펄서 사이를

중력파가 지나가면

펄서 신호가 도착하는 시간이

아주 미세하게 변할 수 있다.

여러 펄서의 신호를 동시에 비교하면

중력파의 흔적을 찾을 수 있다.

이것이

펄서 타이밍 어레이다.

 

우주 전체가 하나의 거대한 관측기가 된다

생각해보면 놀랍다.

우리는 수십 광년,

수백 광년 떨어진 펄서를

우주의 시계로 사용한다.

그리고 그 시계들이

중력파 때문에 아주 미세하게 흔들리는 것을

측정한다.

이것은 마치

우주 전체를

하나의 거대한 검출기로 사용하는 것과 같다.

 

중력파의 주파수에 따라 보이는 우주가 다르다

중력파도

빛처럼 여러 주파수를 가진다.

높은 주파수에서는

항성질량 블랙홀과 중성자별의 충돌 같은

짧고 격렬한 사건을 볼 수 있다.

낮은 주파수에서는

초대질량 블랙홀 쌍이나

아주 긴 시간 규모의 우주 현상을 탐색할 수 있다.

더 낮은 주파수에서는

우주 전체에 퍼져 있는

중력파 배경을 찾을 수도 있다.

즉,

중력파에도 우주를 보는 여러 창이 존재한다.

 

우주에는 중력파의 배경음이 있을까

우주에서 수많은 중력파가 발생한다면

그 신호들이 서로 겹칠 수 있다.

마치 여러 사람이 동시에 말하면

각각의 목소리를 구별하기 어려워지는 것처럼

우주 전체에 수많은 중력파가 존재한다면

일종의 배경 신호가 만들어질 수 있다.

과학자들은

이러한 중력파 배경을 찾고 있다.

그 안에는

수많은 초대질량 블랙홀의 활동이나

아주 오래된 우주에서 발생한 사건의 흔적이

들어 있을 가능성이 있다.

 

우주 초기의 중력파

여기서

더 놀라운 가능성이 등장한다.

우주가 탄생한 직후

엄청난 에너지와 급격한 변화가 있었다.

그 과정에서

중력파가 만들어졌을 가능성이 있다.

특히

초기 우주의 급격한 팽창과 관련된

인플레이션과 같은 현상은

오늘날까지 남아 있는

원시 중력파의 흔적을 만들었을 가능성이 있다.

아직 확정적인 검출은 이루어지지 않았지만

만약 이런 원시 중력파를 확인할 수 있다면

우주의 탄생 직후를 연구하는

새로운 방법이 열릴 것이다.

 

빛으로는 볼 수 없는 우주의 탄생 순간

우주 초기에는

현재와는 전혀 다른 환경이 존재했다.

우주는 매우 뜨겁고 밀도가 높았다.

빛이 자유롭게 이동하기 어려운 시기도 있었다.

따라서 전자기파를 이용해서는

우주 탄생 직후의 모든 과정을

직접 볼 수 없다.

하지만 중력파는

더 초기의 정보를 보존하고 있을 가능성이 있다.

그래서 중력파 천문학은

어쩌면

우주가 태어난 순간에 더 가까이 접근할 수 있는 열쇠가 될 수 있다.

 

중력파는 시간을 거슬러 올라가는 신호다

우리가 먼 은하를 본다는 것은

그 은하의 현재 모습을 보는 것이 아니다.

빛이 지구까지 오는 데 시간이 걸리기 때문이다.

100억 광년 떨어진 은하를 본다면

우리는 사실

100억 년 전의 모습을 보고 있다.

중력파도 마찬가지다.

멀리서 출발한 중력파를 검출하면

그것은 수억 년,

수십억 년 전의 사건을

지금 이 순간 측정하는 것이다.

우리는 망원경으로

과거의 우주를 보고,

중력파로도

과거의 우주를 탐사한다.

 

블랙홀은 이제 '보이지 않는 천체'가 아니다

블랙홀은 여전히

직접적인 의미에서는 어둡다.

하지만 이제 우리는

블랙홀의 존재를

여러 방식으로 확인할 수 있다.

주변 별의 움직임을 볼 수 있다.

강착원반을 볼 수 있다.

블랙홀 그림자와 관련된 구조를 볼 수 있다.

그리고

블랙홀끼리 충돌하는 순간의

중력파도 측정할 수 있다.

즉,

블랙홀은 더 이상

순전히 수학 속에만 존재하는 천체가 아니다.

인류는

그들의 흔적을 여러 방향에서

실제로 측정하고 있다.

 

중력파 관측의 한계

그렇다고 모든 것이 해결된 것은 아니다.

현재의 검출기는

모든 중력파를 감지할 수 없다.

신호가 너무 약하면

검출할 수 없다.

주파수가 관측 장비의 범위를 벗어나도 어렵다.

그리고 지구에서 발생하는 잡음 때문에

아주 약한 신호를 찾는 것이 어려울 수 있다.

그래서 과학자들은

더 민감한 검출기를 만들고 있다.

그리고 언젠가는

지구가 아닌 우주 공간에

중력파 관측기를 설치할 계획도 추진되고 있다.

 

우주에서 중력파를 측정한다면

지상에서는

지구 자체의 진동과 환경 잡음이 문제가 된다.

그렇다면

우주로 나가면 어떨까?

지구와 태양 주위를 도는 여러 우주선을

아주 긴 거리로 배치하고

그 사이의 레이저 거리를 측정한다면

훨씬 낮은 주파수의 중력파를 관측할 수 있다.

이러한 개념을 대표하는 프로젝트가

LISA다.

 

LISA가 열어줄 새로운 우주

LISA는

우주 공간에 여러 개의 우주선을 배치해

거대한 삼각형 형태의 검출기를 구성하는 개념이다.

우주선 사이의 거리를

레이저로 정밀하게 측정한다.

지상 LIGO보다

훨씬 긴 거리에서

중력파를 관측할 수 있다.

그렇게 되면

지상 검출기로는 보기 어려운

더 낮은 주파수의 중력파를

탐지할 수 있을 것으로 기대된다.

 

초대질량 블랙홀의 충돌을 볼 수 있다

LISA와 같은 우주 기반 관측기는

초대질량 블랙홀과 관련된

중력파를 연구하는 데 특히 유용할 수 있다.

은하와 은하가 충돌하면

각 은하의 중심에 있는

초대질량 블랙홀도

서로 가까워질 수 있다.

그리고 아주 긴 시간에 걸쳐

서로를 공전하다가

마침내 합쳐질 수 있다.

그 과정에서 발생하는 중력파는

지상 검출기가 주로 탐색하는 신호보다

훨씬 낮은 주파수 영역에 있을 수 있다.

 

우리는 아직 우주의 절반도 듣지 못했다

중력파 천문학은

아직 시작 단계에 가깝다.

LIGO가 최초의 중력파를 검출한 것도

2015년이었다.

인류의 천문학 역사 전체와 비교하면

아주 최근이다.

가시광선 천문학이

수백 년에 걸쳐 발전해온 것과 비교하면

중력파 천문학은

이제 막 새로운 문을 연 셈이다.

앞으로 수십 년 동안

새로운 검출기와 관측 기술이 등장하면

지금까지 발견하지 못했던

수많은 천체와 사건을 발견할 가능성이 있다.

 

중력파가 우리에게 알려줄 수 있는 것

중력파 천문학이 발전하면

다음과 같은 질문에

새로운 답을 얻을 수 있을 것이다.

블랙홀은 어떻게 성장하는가?

초대질량 블랙홀은 언제 만들어졌는가?

중성자별 내부에는 무엇이 있는가?

중성자별은 정확히 어떤 물질로 이루어져 있는가?

블랙홀의 회전은 어떻게 형성되는가?

우주의 팽창 속도는 정확히 얼마인가?

초기 우주에는 어떤 사건이 있었는가?

그리고

중력이 양자역학과 어떻게 연결되는가?

 

중력파는 단순한 발견이 아니다

우리는 지금까지

우주를 주로

"무엇이 빛나는가"

라는 관점에서 바라봤다.

하지만 중력파는

완전히 다른 질문을 던진다.

"우주에서 무엇이 움직이고 있는가?"

별이 죽는 순간,

블랙홀이 합쳐지는 순간,

중성자별이 충돌하는 순간,

우주 전체의 구조가 흔들리는 순간.

이런 사건은

빛만으로 설명할 수 없는

고유한 흔적을 남긴다.

중력파는

그 흔적을 전달한다.

 

우주의 침묵 속에서 신호를 찾는 사람들

중력파 관측은

어떤 면에서

아주 이상한 과학이다.

과학자들은

눈으로 볼 수 없는 신호를 기다린다.

수 킬로미터 길이의 장비를 사용하고,

레이저를 쏘고,

거울을 매달고,

지구의 수많은 진동을 제거한다.

그리고 아주 작은 변화가 나타나면

그것이 정말 우주에서 온 것인지

수많은 검증을 거친다.

신호가 확실하다면

그때 비로소

우주에서 무슨 일이 일어났는지를

해석하기 시작한다.

 

우주는 이미 우리에게 이야기하고 있었다

사실 우주는

오래전부터 끊임없이 신호를 보내고 있었다.

별의 빛,

전파,

X선,

감마선,

중성미자,

그리고 중력파.

문제는

인류가 그 신호를 들을 방법을

가지고 있지 않았다는 것이다.

망원경을 만들고,

전파 수신기를 만들고,

입자 검출기를 만들고,

레이저 간섭계를 만들면서

우리는 조금씩

우주의 신호를 이해하기 시작했다.

 

그리고 이제 우리는 우주의 '맥박'을 듣는다

펄서는

중성자별의 회전으로

규칙적인 신호를 보낸다.

중력파는

블랙홀과 중성자별의 격렬한 움직임을

우주 전체에 전달한다.

우리는 이 신호를 분석하면서

직접 볼 수 없는 천체의 존재를 알아내고

그 움직임까지 추적한다.

우주의 어둠은

더 이상 완전한 침묵이 아니다.

우리는 그 안에서

미세한 신호를 찾아낼 수 있다.

 

하지만 가장 큰 질문은 아직 남아 있다

중력파를 통해

우리는 블랙홀의 충돌을 볼 수 있게 되었다.

중성자별의 충돌도 확인할 수 있었다.

우주의 구조에 대한 새로운 정보를 얻었다.

그런데 이 모든 것을 한 단계 더 거슬러 올라가면

아주 근본적인 질문이 나온다.

우주 자체는 어떻게 시작되었는가?

빅뱅 이전에는 무엇이 있었는가?

시간은 정말 그 순간부터 시작되었는가?

우주가 처음 탄생했을 때

공간은 어떤 모습이었는가?

그리고

왜 우주는 지금과 같은 모습으로 진화했는가?

 

우주의 가장 오래된 빛

우리는 이미

우주가 아주 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서

팽창해 왔다는 강력한 증거를 가지고 있다.

그리고 우주에는

그 초기 시대의 흔적이 남아 있다.

바로

우주배경복사다.

우주 전체에 거의 균일하게 퍼져 있는

아주 오래된 전자기파다.

이 빛은

우주가 지금보다 훨씬 젊었을 때

물질과 빛이 분리되면서

우주 공간을 자유롭게 이동하기 시작했다.

오늘날 우리는

그 희미한 빛을 관측한다.

 

빛보다 더 오래된 흔적을 찾는다면

하지만 우주배경복사가

우리가 전자기파로 볼 수 있는

가장 오래된 흔적은 아니다.

그보다 더 이전의 우주는

빛이 자유롭게 이동하기 어려운 상태였다.

만약

그 시기의 중력파가 지금까지 살아남았다면

그것은 우주의 아주 초기 상태를 보여주는

독특한 창문이 될 수 있다.

우리가 원시 중력파를 발견한다면

우주의 탄생과 초기 팽창에 대해

현재보다 훨씬 직접적인 정보를 얻을 수 있을 것이다.

 

중력파는 과거에서 온 편지다

수십억 년 전,

어딘가에서

두 블랙홀이 서로를 돌았다.

점점 가까워졌다.

그리고 하나로 합쳐졌다.

그 순간 발생한 시공간의 흔들림이

수십억 년을 여행했다.

그리고 오늘,

지구의 작은 검출기에

아주 미세한 흔적으로 도착했다.

우리는 그 흔적을 읽는다.

그리고

수십억 년 전의 사건을 재구성한다.

이것이 중력파 천문학의 아름다움이다.

 

우리는 우주를 보는 존재에서 듣는 존재로 변하고 있다

과거의 인류는

밤하늘을 바라보기만 했다.

그러다 망원경을 만들었다.

더 먼 곳을 보게 됐다.

전파를 듣기 시작했다.

보이지 않는 빛을 감지했다.

중성미자를 찾았다.

그리고 마침내

시공간의 떨림까지 측정하기 시작했다.

우리는 이제

우주를 하나의 감각으로 관측하지 않는다.

여러 신호를 동시에 받아들인다.

그 결과

우주에 대한 우리의 그림은

점점 더 입체적으로 변하고 있다.

 

우주의 소리는 계속된다

지금 이 순간에도

어딘가에서는

별이 죽고 있을 것이다.

어딘가에서는

블랙홀이 서로를 돌고 있을 것이다.

어딘가에서는

중성자별이 충돌하고 있을 것이다.

그리고 그 모든 사건 가운데 일부는

시공간을 흔들고 있을 것이다.

중력파는

아무 말도 하지 않는 것처럼 보이는

우주 공간을 가로질러

계속 이동하고 있다.

인류가 아직 듣지 못했을 뿐이다.

 

우리는 앞으로 더 많은 소리를 듣게 될 것이다

현재의 검출기보다

더 민감한 장비가 만들어질 것이다.

지상 관측소가 발전할 것이다.

우주 공간에도

중력파 검출기가 만들어질 것이다.

펄서 네트워크도 더 정교해질 것이다.

서로 다른 주파수의 중력파를

동시에 관측할 수 있게 될 것이다.

그렇게 되면

지금은 하나의 희미한 신호로만 보이는 사건이

점점 더 선명하게 드러날 것이다.

 

그리고 언젠가 우리가 듣게 될지도 모르는 것

아마 가장 흥미로운 순간은

우리가 예상하지 못한 신호를 발견하는 순간일 것이다.

과학에서 가장 중요한 발견은

때때로

"우리가 알고 있던 것을 더 정확하게 확인하는 것"이 아니라

"우리가 몰랐던 것이 존재한다는 사실을 발견하는 것"에서 시작된다.

중력파가 그랬다.

우리는 블랙홀 충돌을 직접 관측할 수 있게 될 것이라고

한 세기 전에는 상상하기 어려웠다.

앞으로도

중력파가 새로운 천체나

새로운 물리법칙을 발견하게 만들 가능성은 충분하다.

 

우주의 소리를 듣는다는 것

우주는

인간에게 특별히 말을 걸지 않는다.

별은 우리를 위해 빛나는 것이 아니고,

블랙홀은 우리에게 메시지를 보내기 위해 충돌하는 것도 아니다.

중성자별도

우리에게 자신의 존재를 설명하려고 펄스를 보내는 것이 아니다.

그런데 우리는

그 자연 현상에서 의미를 읽어낸다.

빛의 파장을 분석하고,

전파의 패턴을 비교하고,

중력파의 파형을 해석한다.

그리고 그 결과

수십억 년 전 우주에서 일어난 사건을

우리 머릿속에 다시 그려낸다.

이것이 과학이다.

 

우주가 흔들릴 때

블랙홀은 충돌한다.

시공간이 흔들린다.

그 흔들림은

빛보다 빠르지 않은 속도로

우주를 가로질러 이동한다.

그리고 아주 먼 시간이 흐른 뒤

지구에 도착한다.

레이저가 미세하게 흔들린다.

검출기가 신호를 기록한다.

컴퓨터가 파형을 분석한다.

과학자들은 그것을 보고 말한다.

"우주에서 무언가 거대한 일이 일어났다."

우리는 그 사건을 직접 보지 못했다.

하지만 우주는

자신이 무엇을 했는지

중력파라는 흔적을 남겼다.

 

마지막 질문

우리는 지금까지

별을 보았다.

행성을 보았다.

은하를 보았다.

블랙홀을 보았다.

중성자별을 보았다.

그리고 이제

시공간 자체의 흔들림까지 감지하기 시작했다.

그렇다면 다음에는 무엇을 볼 수 있을까?

우주가 태어난 직후의 흔적은 어떨까?

빅뱅이라는 사건은 정말

우주의 모든 것의 시작이었을까?

그 이전에는 아무것도 없었을까?

그리고 무엇보다

우주는 왜 존재하는가?

우리는 지금까지

우주가 어떻게 진화했는지를 하나씩 살펴봤다.

하지만 이제 질문은

더 근본적인 곳으로 향한다.

별과 은하가 만들어지기 전,

행성이 존재하기 전,

심지어 원자와 빛이 지금과 같은 모습이 되기 전,

우주가 태어난 순간에는 대체 무슨 일이 있었을까?

다음 편에서는

우리가 알고 있는 우주의 시작으로 시간을 되돌린다.