[줌인]우주기원 한발짝 더..국제연구팀, 전자기파로도 중력파 포착

韓 포함 공동연구팀, 중성자별 충돌 중력파 검출
킬로노바 현상 등 과거 이론을 실제로 규명해내
네이처 10월16일자 등 국제 학술지 다수 게재

[이데일리 김혜미 기자] 한국을 포함한 국제공동연구팀이 올해 노벨물리학상을 수상한 ‘중력파의 발견’에서 한 발 더 나아간 연구성과를 내놨다. 연구팀은 블랙홀에 이어 중성자별 충돌 과정에서도 중력파가 발생한다는 사실을 확인하는 등 기존 이론들을 실제로 증명해냈다.

16일 서울대 초기우주천체연구단과 한국천문연구원, 한국중력파연구협력단 등에 따르면 한국 연구진 38명을 포함, 모두 3500여명으로 구성된 라이고(LIGO)와 비르고(Virgo) 과학 협력단은 한국시각 기준 지난 8월17일 오후 9시41분에 최초로 중성자별 충돌에 의한 중력파 발생 현상을 관측하고 이 현상을 ‘GW170817’로 명명했다.

중력파 종료시각 약 2초 뒤에는 2초 간의 짧은 감마선 폭발 현상이 포착됐다. 이어 11시간 뒤에는 은하 NGC 4993(거리 약 1억3000만광년)에서 GW170817에 대응하는 천체가 가시광선으로 발견되면서 GW170817의 위치가 정확히 결정됐다.

이번 연구성과는 라이고와 비르고 등 중력파 관측소 외에 감마선이나 X선, 가시광선 등 전자기파 신호로도 중력파 천체를 최초로 포착해냈다는 데 의미가 있다. 이를 통해 중성자별 충돌 증거로 예측돼 온 킬로노바(Kilonova) 현상과 진행과정도 동시에 규명해냈다. 킬로노바는 신성의 1000배 정도 에너지를 내는 현상을 말한다.

앞서 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 라이고와 비르고를 활용해 아인슈타인이 100년 전 예측했던 중력파의 존재를 확인하는 데 결정적으로 기여한 3명의 미국 교수들에게 노벨물리학상을 수여한 바 있다. 중력파는 큰 별이 폭발하거나 중성자성끼리의 쌍성 합체 등 중력 변화에 따라 발생하는 파동의 일종으로 시공간을 일그러뜨린다. 잔잔한 호수에 돌을 던지면 물결이 일어나듯, 중력에 큰 변화가 생기면 인간의 시공간에도 파동이 생긴다. 이는 오랫동안 우주 탄생의 비밀을 풀어줄 열쇠로 알려졌다.

KMTNet 남아프리카 관측소가 포착한 GW170817의 모습. 천문연 제공

연구에서 한국 연구팀은 한국천문연구원의 KMTNet 망원경과 서울대 이상각망원경 등을 사용해 중력파 발생시각 약 21시간 후부터 GW170817에 대한 가시광선 추적관측을 시작했다. 특히 천문연이 운영하는 KMT넷이 24시간 연속 관측한 자료는 GW170817이 킬로노바 현상을 일으켰다는 것을 밝히는 데 중요한 역할을 했다.

이와 별도로 성균관대 연구팀도 멕시코에 있는 보오테스(BOOTES)-5 광학망원경과 남극의 아이스큐브 뉴트리노 천문대로 이 현상을 관측했다.

이후 얻어진 미 항공우주국(NASA)의 찬드라 X선 우주망원경의 X선, 국내 가시광선, 라이고·비르고 관측 연구결과로부터 중성자별 충돌과 킬로노바, 특이 감마선 폭발 간의 연결고리를 완성할 수 있었다는 설명이다.

다시 말해 중력파를 통해 GW170817이 중성자별 수준 질량의 천체 충돌임을 확인했고, 중성자별 충돌 결과로 예측됐던 킬로노바 현상과 특이한 감마선 폭발 현상을 전자기파 신호 관측으로 확인해 중성자별 충돌 현상에 대한 관측 증거를 확보한 것이다.

관측을 주도한 임명신 서울대 교수(초기우주천체연구단장)는 “이번 연구로 천체를 중력파와 전자기파 신호로 동시 관측해 연구하는 ‘다중신호 천문학’이 탄생하게 됐다”며 “앞으로 중성자별 충돌 자체 과정을 이해하는 것은 물론 내부 구조 이해, 중력파신호를 활용한 거리 측정 등 다양한 연구가 이뤄지게될 것이다. 천체물리학 제반 연구분야에서 획기적인 발견들이 이루어질 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 학술지 네이처 10월16일자에 2편이 게재되고, 천문학 및 물리학 분야 최상위 저널 피지컬 리뷰 레터스와 천체물리학 저널 레터스에도 모두 5편이 게재될 예정이다.

김혜미 (pinnster@edaily.co.kr)