별이 충돌했다… 金나왔다, 뚝딱

입력 : 2017.10.28 03:01 | 수정 : 2017.10.28 07:59

100년 前 아인슈타인의 예언이 현실로… 별들이 부딪칠 때 나오는 금·우라늄·중력파 관측 성공

- 우주의 비밀이 열렸다
별들이 충돌할 때 원소들이 탄생한다는 천재 과학자의 가설
100년이 지난 지금, 이제서야 인류는 눈으로 확인했다
3500명 세계 과학자들 똘똘 뭉쳐 검증한 우주의 비밀
아인슈타인이 역시 옳았다

인류는 우주의 비밀을 파헤치기 위해 끊임없이 노력했다. 사람을 달 표면에 올리고, 태양계 밖까지 무인(無人) 탐사선을 보내는 데 성공했다. 하지만 우주인이나 우주선을 직접 보내는 탐사 활동은 물리적으로 한계가 있다. 로켓 성능이 아무리 뛰어나도 우주에서 격변이 일어나는 대부분의 지점은 접근이 불가능하다.

최근 과학자들은 직접 우주로 날아가는 대신 지구에서 먼 우주 저편을 보는 신기술로 우주 연구의 한계를 극복해 나가고 있다. 빛까지 빨아들이는 블랙홀을 직접 촬영하거나 별 폭발로 생긴 중성자별들이 충돌하면서 나온 중력파를 관측하는 데 성공하는 등 육안으로 볼 수 없는 우주 현상을 과학적으로 밝혀냈다. 우주를 보는 인류의 '눈'이 획기적으로 발달함에 따라 천문학 연구에 새로운 지평이 열리고 있다.

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/그래픽=김충민 기자

◇중성자별 충돌로 나온 중력파 첫 관측

지난달 중순 국제 공동 연구진이 내놓은 연구 성과는 인류가 또 한 번 우주에 대한 시야를 넓히는 데 성공했음을 보여줬다. 서울대와 한국천문연구원, 한국중력파연구협력단을 비롯한 국내 연구진과 미국항공우주국(NASA), 유럽우주관측소(ESO) 등 45국 공동 연구진은 지난 8월 17일 중성자별 충돌에 의한 중력파(重力波) 발생을 관측한 데 이어 고에너지 전자기파인 감마선 폭발, X선과 가시광선까지 포착하는 데 성공했다고 발표했다.

중성자별은 별의 마지막 단계인 초신성 폭발 후 남은 물질들이 엄청난 밀도로 수축된 상태다. 티스푼 하나로 뜬 질량이 10억㎏ 이상 나갈 정도로 무겁다. 별의 폭발 후 중심핵이 붕괴하는 과정에서 전자와 양성자가 결합해 중성자가 주를 이룬다고 중성자별이란 이름이 붙었다. 블랙홀이나 중성자별들이 발생하거나 충돌하면 우주에 중력의 거대한 파동이 발생한다. 바로 중력파다. 그동안 블랙홀 결합으로 발생한 중력파는 4차례나 검출했지만 중성자별 충돌을 통해 중력파를 감지한 건 이번이 처음이다.

한동안 천문학은 눈으로 볼 수 있는 빛인 가시광선을 망원경으로 관측하는 데 의존했다. 이후 전파망원경이 나와 다양한 파장의 신호를 관측했다. 이제 중력파까지 관측할 수 있는 망원경을 개발하면서 이전에 없던 수많은 정보를 우주로부터 얻고 있다. 이를 통해 그동안 관측은 가능했지만 원인을 몰랐던 우주 현상들이 조금씩 실체를 드러내고 있다.

예를 들어 감마선 폭발은 그동안 하루에도 수십 차례 관측이 될 만큼 빈번한 일이었다. 인공위성을 통해 지구에서 얼마나 떨어진 곳에서 감마선이 나오는지도 알 수 있다. 하지만 왜 감마선 폭발이 일어나는지는 몰랐다. 과학자들은 중성자별의 충돌을 유력한 후보로 지목했지만 별 충돌의 직접 증거인 중력파를 관측하지 못해 확증에는 실패했다. 이번에 중성자별 두 개가 합쳐지는 과정에서 나오는 중력파와 감마선 폭발을 거의 동시에 감지함으로써 중성자별 충돌에서 감마선 폭발이 일어날 것이라는 가설을 최종 확인할 수 있었다.

◇금·우라늄 만든 킬로노바 현상도 밝혀내

한국천문연구원의 남아공 외계행성탐색시스템(KMTNet) 관측소가 중력파가 발생한 지점을 촬영한 모습. 흰 선으로 표시한 곳이 중력파가 발생한 위치이며, 바로 밑의 밝은 부분은 중성자별 충돌이 일어난 은하이다./한국천문연구원

중력파 관측이 가능해지면서 과학자들이 밝힐 수 있었던 또 다른 우주 현상은 '킬로노바(Kilonova)'다. 중성자별들이 충돌하면서 주변에 강렬한 빛을 내는 현상이다. 킬로노바는 철보다 무거운 원소들이 우주에 퍼지게 된 원인으로 알려져 있었다. 중(重)원소들은 원자핵을 이루는 중성자가 다른 원소보다 많이 뭉쳐 있다는 점에서 중성자별 충돌로 쏟아진 중성자들이 합쳐지면서 생성됐을 것으로 추정됐다.

킬로노바 현상도 감마선 폭발과 마찬가지로 빈번하게 관측이 됐지만 중성자별 충돌에서 발생하는지 여부를 직접적으로 밝혀내지는 못했다. 집 안에 있는 사람이 창문 너머로 밝게 빛이 날 때 주변이 환해지는 건 알 수 있지만 번개에 의한 것인지 인공 조명에 의한 것인지 모르는 것과 같다. 공동 연구진은 세계 70여 곳의 천문대를 동원해 중성자별 충돌 지점 부근에서 무거운 금속이 내는 파장의 빛을 검출하는 데 성공했다. 인류 문명을 탄생시킨 텅스텐·금·백금·우라늄·납 등의 기원이 중성자별 충돌에 있다는 사실을 중력파 관측으로 알게 된 것이다. 연구팀은 금·우라늄과 같은 무거운 원소들이 중성자별 두 개가 충돌해 합쳐지는 과정에서 나오는 중성자로 만들어졌음을 처음으로 입증했다.

◇'다중신호' 천문학의 시대 시작

이번 연구는 중력파와 함께 전자기파, 입자까지 관측 대상에 총동원되는 '다중 신호 천문학'의 시작을 알린 역사적 사건이라 할 수 있다. 중력파는 앞으로 인류가 우주의 기원과 진화를 이해하는 데 결정적 수단이 될 것이다. 특히 서로 다른 프로젝트에 소속된 과학자 3500여 명이 집단 지성을 이뤄 과학적 업적을 성취한 놀라운 사건이라는 점도 중요하다. 말 그대로 한 우주 현상에 대한 전 지구적 연구가 이뤄진 것이다. 중력파 관측이 앞으로 천문학의 판도를 어떻게 변화시킬지 전 세계가 주목하고 있다.

☞ 중력파(重力波)

블랙홀이 생성·충돌하거나 중성자별의 폭발이 일어날 때 강력한 중력이 우주 공간에 거대한 파동을 일으키며 퍼져 나가는 것을 말한다. 물 리학자 알베르트 아인슈타인이 1915~1916년 발표한 일반상대성이론에서 중력파의 존재를 예측했다. 킵 손 캘리포니아공과대(칼텍) 명예교수, 배리 배리시 칼텍 교수, 라이너 바이스 MIT 명예교수는 지난해 중력파 측정 장치인 ‘고급레이저간섭계중력파관측소(LIGO·라이고)’를 통해 처음으로 중력파를 찾아내는 데 성공하며 올해 노벨 물리학상 수상자로 선정됐다.

출처 : http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/10/27/2017102701924.html