무한한 가능성의 중력파, 아직 과제는 남아

  아인슈타인이 그 존재를 예상한지 100년 만에 관측된 중력파. 미국 국립과학재단(NSF)는 이 소식을 생중계했고, 전 세계 언론은 이를 대서특필했다. 중력파가 어떠한 가능성을 가지고 있기에 이토록 주목을 받는 것일까?

중력파를 통해 보는 우주

중력파를 검출하는 데 처음으로 성공했다고 발표된 지난 2월은 인류 과학사에서 역사적인 순간으로 기록됐다. 중력파가 가진 커다란 가능성 때문이다. 우선 중력파는 기존의 광학 망원경과 전파 망원경이 가지는 한계를 넘어서는 도구가 될 수 있을 것으로 전망된다. 기존의 망원경으로 볼 수 없었던 블랙홀이나 중성자별과 같은 고밀도 천체의 충돌을 관측할 수 있기 때문이다. 중력파는 빛과 달리 모든 물질을 통과하는 성질을 가지며, 통과하는 물질에 의해 왜곡되지 않는다. 따라서 중성자별이 충돌할 때 나오는 중력파의 특징을 분석하면 별을 이루는 입자들의 구성성분을 구체적으로 파악할 수 있을 가능성이 높다. 이를 통해 중성자별을 비롯한 무거운 별이 생성되는 과정을 분석할 수 있게 되면 과학 연구의 범위가 넓어질 것으로 예상된다. 이형목(서울대 물리천문학) 교수는 “중력파는 고밀도 천체의 충돌을 볼 수 있게 해준다”며 “이들 천체의 물리량을 정확히 알 수 있게 해준다는 점에서 새로운 천체물리연구의 수단으로 활용될 것”이라고 전했다.
천문학자들은 중력파를 이용해 초기 우주에 대한 정보를 구체적으로 파악할 수 있게 될 것으로 기대하기도 한다. 빅뱅 이후 38만 년까지의 우주는 △양성자 △중성자 △전자 등의 입자로 가득 차 있어 관측이 불가했다. 하지만 물질과의 상호작용이 없는 중력파는 우주의 역사를 따라 지구까지 도달할 수 있어 우주 초기 입자들의 분포를 알 수 있게 해준다. 뿐만 아니라 암흑물질에 관한 정보를 얻을 수도 있다. 세계적인 이론 물리학자 스티븐 호킹 박사는 “중력파를 검출할 수 있는 능력은 우주를 바라보는 완전히 새로운 방법을 제공한다”며 “눈에 보이지 않는 암흑물질 등 이전까지는 알 수 없었던 미지의 우주를 발견하는 데 크게 기여할 것”이라고 말하기도 했다.
중력파 발견에 사용된 기술이 과학계의 중요한 문제들을 해결하는데 도움이 될 것이라는 예측도 있다. 이번 중력파 발견에 사용된 라이고(LIGO, 레이저 간섭 중력파 관측소)는 블랙홀의 충돌이나 초신성 폭발 같은 격렬한 우주적 사건에서 발생하는 중력파를 검출할 수 있는 민감한 장비다. 따라서 라이고같은 관측장비에 대한 연구가 활발해지면 우리가 알 수 있는 과학의 범위도 넓어질 것이라는 기대가 존재한다. 이창환(물리학) 교수는 “중력파 검출에 이용된 △레이저기술 △진공기술 △컴퓨터기술 등의 분야도 큰 성과를 얻게 됐다”고 전했다.

여전히 남은 과제, 중력자

하지만 일부 학자들은 중력파의 발견이 가져올 낙관적 미래의 현실성에 대해 의문을 표하기도 한다. 중력파 연구의 중요한 부분이 여전히 미확인 영역에 남아있다는 것이다. 무엇보다 중력을 매개한다고 알려진 중력자의 존재가 여전히 입증되지 못한 상태다. 은하 같은 거대한 구조가 한 덩어리로 묶여 있도록 하는 가상의 입자를 중력자라고 한다. 하지만 중력자는 작기로 유명한 소립자인 중성미자의 질량상한선과 비교해도 아주 작다. 때문에 이렇게 작은 입자를 찾기란 쉬운 일이 아니다. 이형목 교수는 “이번 중력파 분석을 통해 중력자가 존재한다면 그 질량의 상한선이 얼마나 될 것인가를 추정했다”며 “하지만 이는 ‘중력자가 있다면’이라는 가설에서 출발한 것일 뿐, 중력자의 존재를 인정한 것은 아니다”라고 설명했다.
이처럼 중력자를 발견하기 위해서는 고도의 정밀한 과정이 필요하기 때문에 일부 물리학자들은 중력자의 관측 가능성에 의구심을 표하고 있는 상황이다. 이창환 교수는 “이번에 발견된 중력파는 큰 질량을 가지는 블랙홀 충돌에서 발생한 것”이라며 “중력자는 아주 작은 세계에 대한 이해를 필요로 하므로, 현재