참세상

블랙홀의 나선형 춤. 이 일러스트는 두 블랙홀이 서로를 향해 나선 형태로 접근하며 병합되는 과정과, 그로 인해 바깥으로 퍼져나가는 중력파를 보여준다. 그림 속 블랙홀은 2015년 12월 26일 LIGO가 검출한 블랙홀 쌍을 나타낸 것으로, 각각 태양 질량의 14배와 8배였으며, 병합을 통해 태양 질량의 21배에 달하는 하나의 블랙홀로 합쳐졌다. 실제로 블랙홀 주변 공간은 매우 심하게 휘어져 보이며, 중력파는 직접적으로 관측하기 어렵다. 출처: LIGO/T. Pyle

과학자들은 2015년 9월, 두 블랙홀의 병합으로부터 발생한 중력파라 불리는 시공간의 잔물결을 처음으로 검출했다. 이 발견은 아인슈타인의 예측 중 하나를 입증하려는 100년에 걸친 탐색의 결실을 의미했다.

이러한 물리학의 중대한 전환점이 있은 지 2년 후인 2017년 8월, 두 중성자별의 병합에서 방출된 중력파와 전자기파를 동시에 검출하는 데 성공하면서 또 한 번의 돌파구를 열었다.

중력파는 과학자들에게 매우 흥미로운 대상이다. 이는 우주를 바라보는 전혀 새로운 창을 열어주기 때문이다. 기존의 천문학은 빛과 같은 전자기파에 의존하지만, 중력파는 빛을 방출하지 않는 천체에서도 발생할 수 있는 독립적인 메신저이다. 중력파의 검출은 우주의 어두운 면을 여는 열쇠가 되었고, 과학자들은 이전에는 한 번도 관측한 적이 없던 현상들을 탐색할 수 있게 되었다.

두 블랙홀이 하나로 병합되는 순간. 이미지 제공: SXS, 극한 시공간 시뮬레이션 프로젝트(Simulating eXtreme Spacetimes, SXS). 출처: 캘리포니아 공과대학교/매사추세츠 공과대학교/LIGO 연구소 (Caltech/MIT/LIGO Lab)

나는 LIGO 과학 협력단(LIGO Scientific Collaboration)에서 20년 넘게 중력파를 연구해 온 물리학자로서, 이 발견들이 과학자들의 우주에 대한 인식을 어떻게 송두리째 바꾸었는지를 직접 목격했다.

2025년 여름, LIGO, Virgo, KAGRA 협력단 소속 과학자들이 또 하나의 중요한 이정표를 세웠다. 장비 업그레이드를 위해 긴 휴식기를 가진 뒤, 이 협력단은 최근 새로운 중력파 검출 목록을 발표했다. 이번 목록에 포함된 발견들은, 그 어느 때보다도 선명하게 검출된 중력파를 비롯해, 연구자들에게 전례 없는 수준의 우주 관측 정보를 제공하고 있다.

전 세계에 중력파 관측소가 더 많이 운영될수록, 우주에서 오는 중력파의 위치와 근원을 정확히 찾아내기가 쉬워진다. 출처: 캘리포니아 공과대학교/매사추세츠 공과대학교/LIGO 연구소 (Caltech/MIT/LIGO Lab)

중력파란 무엇인가?

알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 1916년에 중력파의 존재를 처음으로 예측했다. 일반상대성이론으로 알려진 아인슈타인의 중력이론에 따르면, 질량이 크고 밀도가 높은 천체는 시공간을 휘게 만든다.

이러한 거대 천체, 예를 들어 블랙홀이나 초신성 폭발 이후에 남는 중성자별이 서로를 공전하게 되면, 이들은 쌍성계를 형성한다. 이 쌍성계의 운동은 주변 시공간을 동적으로 늘리고 압축시키며, 이로 인해 중력파가 우주 전역으로 퍼져 나간다. 중력파는 우주 속 다른 물체들 사이의 거리를 아주 미세하게 변화시킨다.

중력파를 검출하려면 거리를 극도로 정밀하게 측정해야 한다. LIGO, Virgo, KAGRA 협력단은 총 네 개의 중력파 관측소를 운영하고 있다. 미국에는 두 개의 LIGO 관측소가 있고, 이탈리아에는 Virgo 관측소, 일본에는 KAGRA 관측소가 있다.

각 검출기는 길이가 수 킬로미터에 이르는 L자형 팔을 가지고 있다. 이 팔 내부에는 반사된 레이저 빛이 채워진 공진 캐비티가 있으며, 이 빛은 두 거울 사이의 거리를 정밀하게 측정한다.

중력파가 지나가면, 이 거울 사이의 거리가 10^-18미터, 즉 양성자 직경의 0.1% 정도만큼 변한다. 천문학자들은 거울이 진동하는 방식을 측정함으로써 블랙홀의 공전 궤도를 추적한다.

이처럼 미세한 거리 변화 속에는 중력파의 근원에 대한 방대한 정보가 담겨 있다. 이를 통해 과학자들은 각각의 블랙홀이나 중성자별의 질량, 위치, 자전 여부까지 파악할 수 있다.

워싱턴 주 핸퍼드(Hanford)에 위치한 LIGO 검출기는 레이저를 이용해 중력파로 인해 발생하는 극미한 시공간의 팽창을 측정한다. 출처: LIGO 연구소(LIGO Laboratory)

중성자별–블랙홀 병합

앞서 언급한 것처럼, LIGO, Virgo, KAGRA 협력단은 2023년 5월 24일부터 2024년 1월 16일까지 수집된 데이터를 바탕으로 총 128건의 새로운 쌍성 병합을 보고했다. 이는 이전까지의 총 검출 건수를 두 배 이상 늘린 수치다.

이 새로운 발견들 가운데에는 중성자별–블랙홀 병합 사건도 포함되어 있다. 이 병합계는 태양질량의 2.5배에서 4.5배 사이의 비교적 가벼운 블랙홀과 태양질량의 1.4배에 해당하는 중성자별로 구성되어 있다.

이러한 계에서 과학자들은 블랙홀이 중성자별을 잡아당겨 파괴한 뒤 집어삼키는 과정을 거치며 전자기파를 방출할 것이라고 이론적으로 예측하고 있다. 안타깝게도, 이번 사건에서는 해당 전자기파를 검출하는 데에는 성공하지 못했다.

블랙홀이 중성자별을 찢어내는 과정에서 발생하는 전자기 대응 신호를 검출하는 것은 현재 천문학과 천체물리학에서 가장 탐나는 연구 대상 중 하나다. 이 전자기파는 극한의 물질 상태와 극심한 중력 환경을 이해하는 데 필요한 풍부한 데이터를 제공할 수 있다. 과학자들은 다음에 유사한 사건이 발생할 때는 보다 좋은 결과를 얻기를 기대하고 있다.

거대 쌍성계와 가장 선명한 중력파

2025년 7월, LIGO, Virgo, KAGRA 협력단은 지금까지 검출된 중 가장 거대한 질량을 가진 쌍성 블랙홀 병합 사건을 발견했다고 발표했다. 이 계의 총합 질량은 태양질량의 200배를 초과한다. 특히 이 계를 구성한 두 블랙홀 중 하나는, 기존에는 단일 항성의 붕괴로는 형성될 수 없다고 여겨졌던 질량 범위를 가진 것으로 나타났다.

쌍성 블랙홀 병합에서 발생한 중력파

블랙홀과 같은 천체가 서로 병합하면 중력파를 방출한다.

2025년 9월에 발표된 협력단의 최신 발견은 지금까지 중력파 관측 역사상 가장 선명하게 검출된 사건이다. 이 사건은 10년 전 최초로 중력파를 검출했던 사건과 거의 동일한 조건을 가진 것으로 나타났지만, 지난 10년간 LIGO 검출기의 성능이 향상되었기 때문에, 이번 신호는 당시보다 세 배 더 높은 신호대잡음비(SNR)를 기록하며 명확히 두드러졌다.

이번처럼 선명한 중력파 신호 덕분에, 과학자들은 병합 후 형성된 최종 블랙홀이 일반상대성이론에 따라 정확히 중력파를 방출했다는 사실을 확인했다.

또한 과학자들은 병합 후 형성된 최종 블랙홀의 표면적이 병합 이전의 두 블랙홀 표면적을 합한 것보다 더 크다는 사실도 보여주었다. 이는 스티븐 호킹(Stephen Hawking)과 야코브 베켄슈타인(Jacob Bekenstein)의 이론적 연구에 따라, 병합 과정에서 엔트로피가 증가했음을 시사한다. 엔트로피는 시스템의 무질서도를 측정하는 지표이며, 열역학 법칙에 따르면 모든 물리적 상호작용은 우주의 무질서를 증가시키는 방향으로 작용해야 한다. 이번 발견은 블랙홀도 이러한 열역학 법칙과 유사한 법칙을 따르고 있음을 입증했다.

더 긴 유산의 시작

LIGO, Virgo, KAGRA 협력단의 네 번째 관측 주기는 현재 진행 중이며, 오는 11월까지 이어질 예정이다. 나와 동료 연구자들은 향후 1년 내에 100건 이상의 추가 발견이 이루어질 것으로 기대하고 있다.

2028년에 시작될 새로운 관측 주기에서는, 협력단이 안정적인 예산 지원을 받을 경우, 2030년경까지 총 병합 검출 건수가 1,000건에 이를 수 있을 것으로 전망된다.

중력파 천문학은 여전히 초기 단계에 머물러 있다. LIGO의 차세대 업그레이드 계획인 ‘A#’ 프로젝트가 실현된다면, 중력파 검출률이 현재보다 10배가량 증가할 수 있다. 또한, 향후 10년에서 20년 안에 구축될 수 있는 차세대 관측소인 ‘코스믹 익스플로러(Cosmic Explorer)’와 ‘아인슈타인 망원경(Einstein Telescope)’은, 검출기의 잡음을 더욱 낮춤으로써 현재보다 1,000배 더 많은 중력파를 검출할 수 있게 할 것이다.