[2017 노벨물리학상] 바이스, 배리시, 손 : 100년의 추적, 아인슈타인의 '중력파'를 마침내 검출하다

 

 

📜 들어가며: 100년간의 유령, 아인슈타인의 마지막 예언

 

1915년, 알베르트 아인슈타인 [1921년 수상]은 세상을 뒤바꾼 '일반 상대성 이론'을 발표했습니다. 이 이론은 중력이란 질량이 시공간을 휘게 만들어 생기는 현상이라고 설명했습니다.

그리고 1년 뒤인 1916년, 그는 자신의 이론에서 하나의 엄청난 '예언'을 더 이끌어냅니다. 만약 블랙홀이나 중성자별처럼 거대한 질량을 가진 두 천체가 서로 격렬하게 충돌하거나 공전한다면, 그들은 시공간이라는 우주의 '연못'에 **'파문'**을 일으키며 에너지를 방출해야 한다는 것이었습니다.

이 '시공간의 파문'이 바로 중력파 [Gravitational Waves]였습니다.

하지만 아인슈타인 자신조차 이 파동은 너무나도 미약해서, 인류가 영원히 검출할 수 없을 것이라고 생각했습니다. 100년 가까이, 이 '중력파'는 오직 칠판 위에서만 존재하는 이론 속 '유령'이었습니다.

물론 1993년 헐스와 테일러 [1993년 수상]는 '쌍성 펄서'의 궤도가 중력파로 에너지를 잃는 양만큼 정확히 줄어드는 것을 발견하여, 중력파의 존재를 간접적으로 증명했습니다.

하지만 인류는 여전히 그 '파문' 자체를, 우주의 '소리'를 직접 '들어본' 적은 없었습니다.

2017년 노벨 물리학상은, 100년의 기다림 끝에, 지구에서 13억 광년 떨어진 곳에서 두 개의 블랙홀이 충돌하며 보낸 그 '속삭임'을 마침내 '들은' 세 명의 위대한 선구자, 라이너 바이스 [Rainer Weiss], 배리 C. 배리시 [Barry C. Barish], 킵 S. 손 [Kip S. Thorne]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "LIGO 검출기와 중력파 관측"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2017년, 이 세 명의 거장에게 노벨상을 수여하며 그 공로를 다음과 같이 발표했습니다.

"LIGO 검출기 설계 및 중력파의 직접 관측에 대한 결정적인 공헌을 기리며"

이 수상은 LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계 중력파 관측소]라는, 인류 역사상 가장 정밀한 '기계'를 탄생시킨 3인의 공로를 인정한 것입니다.

상은 LIGO의 성공을 이끈 '세 개의 기둥'에게 돌아갔습니다.

• 라이너 바이스 [Rainer Weiss] (상금 1/2): '실험의 설계자'. 그는 1970년대, 이 미세한 파문을 검출할 L자형 레이저 간섭계의 기본 설계도를 완성하고, 이 실험의 가장 큰 '잡음'을 제거할 방법을 고안한 선구자입니다.
• 킵 S. 손 [Kip S. Thorne] (상금 1/4): '이론의 설계자'. 그는 "우리가 무엇을 들어야 하는가?"에 답했습니다. 그는 블랙홀이나 중성자별이 충돌할 때 어떤 '모양'의 중력파 신호[처프, Chirp]가 발생하는지 이론적으로 완벽하게 계산해냈습니다.
• 배리 C. 배리시 [Barry C. Barish] (상금 1/4): '프로젝트의 완성자'. 그는 1990년대 좌초 위기에 빠졌던 LIGO 프로젝트의 지휘를 맡아, 수십 명의 소규모 실험을 수천 명의 빅 사이언스 국제 공동 연구 [LSC]로 탈바꿈시킨 위대한 '경영자'였습니다.

 

⚡️ '불가능'을 측정하는 기계: LIGO

 

중력파를 검출하는 것은 왜 100년이나 걸렸을까요? 그 '파문'이 너무나도, 너무나도 미약했기 때문입니다.

13억 광년 떨어진 블랙홀이 충돌하며 낸 중력파가 지구를 통과할 때, 이 시공간이 일으키는 '변화'의 크기는 어느 정도일까요?

길이 4km의 물체가, 양성자 '1천 개' 중 '1개'의 지름 [10⁻¹⁸ 미터]만큼 '줄어들었다 늘어나는' 수준입니다.

인류는 1000해 분의 1초[10⁻¹⁸초]는커녕, 양성자 지름의 1000분의 1이라는 '공간'의 변화를 측정해야 했습니다.

마이컬슨 간섭계의 '궁극' 버전

이 '불가능'을 가능하게 한 것이 라이너 바이스가 1970년대에 설계한 L자형 레이저 간섭계였습니다. [이는 1907년 수상자인 앨버트 마이컬슨의 아이디어를 극한으로 발전시킨 것입니다.]

1. 강력하고 안정적인 '레이저' 빔을 쏩니다.
2. 이 빛을 '빔 스플리터'로 쪼개어, 서로 수직인 4km 길이의 '두 팔' [진공 터널]로 동시에 보냅니다.
3. 두 빛은 각 팔의 끝에 달린 '거울'에 맞고 반사되어, 다시 중앙의 검출기로 돌아옵니다.
4. [평상시] 두 팔의 길이는 '완벽하게' 같도록 조정되어 있습니다. 돌아온 두 빛의 파동은 서로를 정확히 '상쇄'시킵니다. [상쇄 간섭] 검출기에는 아무 빛도 도달하지 않는, 완벽한 '어둠'만 존재합니다.
5. [중력파 통과!] 중력파가 지구를 '통과'하는 순간, 시공간이 뒤틀리며 한쪽 팔은 '짧아지고' [예: 4km - 10⁻¹⁸m] 다른 쪽 팔은 '늘어납니다'. [예: 4km + 10⁻¹⁸m]
6. [신호 검출] 두 팔의 '길이'가 달라졌기 때문에, 돌아온 두 빛은 더 이상 완벽하게 상쇄되지 않습니다.
7. 검출기는 마침내 '어둠' 속에서 한 줄기 '빛' [보강 간섭]을 포착합니다. 이 '빛의 깜빡임'이야말로 13억 광년을 날아온 중력파의 '신호'입니다.

킵 손의 '청사진'과 배리시의 '건설'

바이스가 '기계'를 설계했다면, 칼텍의 이론가 킵 손은 '목표물'의 청사진을 그렸습니다. 그는 1970년대부터 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, '두 개의 블랙홀이 충돌하며 합쳐지는' 과정에서 어떤 '소리' [Chirp, 주파수가 점점 높아지는]가 나는지 완벽한 '파형'을 계산해냈습니다.

하지만 이 거대한 4km짜리 기계를 짓는 것은 재앙이었습니다. 1990년대 초, LIGO 프로젝트는 예산 초과와 기술적 난관으로 '실패' 직전이었습니다. 1994년, 배리 배리시가 2대 소장으로 부임했습니다.

그는 이 프로젝트가 '교수 몇 명'의 실험이 아니라, '수천 명'의 국제 협력이 필요한 '빅 사이언스'임을 직감했습니다. 그는 프로젝트를 완전히 재설계하고, 'LIGO 과학 협력단' [LSC]이라는 거대 조직을 창설했습니다. 그가 없었다면, LIGO는 완성되지 못했을 것입니다.

 

🌌 2015년 9월 14일: "우주의 '속삭임'을 듣다"

 

수십 년의 노력 끝에, LIGO는 2015년 9월 '어드밴스드 LIGO' [Advanced LIGO]로 업그레이드를 마치고, '공식' 가동을 며칠 앞둔 '최종 테스트' 중이었습니다.

2015년 9월 14일 새벽.

미국 워싱턴주의 '핸퍼드' 관측소와, 그곳에서 3,000km 떨어진 루이지애나주의 '리빙스턴' 관측소의 컴퓨터에, 똑같은 파형의 신호가 0.007초의 시차를 두고 '동시에' 기록되었습니다.

신호는 0.2초간 지속되었습니다. 주파수는 35Hz에서 시작하여 250Hz까지 급격히 높아지다가 '쾅!' 하고 끝났습니다.

이것은 지진파도, 트럭 소리도, 번개도 아니었습니다. 이것은 킵 손이 수십 년 전 계산했던, 두 개의 블랙홀이 충돌하여 하나로 합쳐지는 그 '처프' 파형과 완벽하게 일치했습니다.

13억 광년 떨어진 곳에서, 각각 태양 질량의 29배와 36배인 두 개의 블랙홀이 죽음의 왈츠를 추다 하나로 합쳐졌습니다. 그 과정에서 태양 3개에 해당하는 '사라진 질량'이, 아인슈타인의 E=mc² 공식에 따라 100% 순수한 '중력파' 에너지로 변환되어 우주로 퍼져나갔습니다.

그리고 13억 년 뒤, 그 '시공간의 울림'이 지구를 스쳤고, 라이너 바이스가 설계하고 배리 배리시가 완성시킨 '귀'가 그 소리를 들은 것입니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

1993년 vs 2017년: 간접 vs 직접

이 수상은 1993년 헐스 & 테일러의 수상과 완벽한 짝을 이룹니다.

• 1993년: 헐스와 테일러는 '쌍성 펄서'의 궤도가 수년에 걸쳐 '줄어드는' 것을 보고, "중력파가 '존재한다'는 것을 간접적으로 증명했습니다.
• 2017년: 바이스, 배리시, 손은 '블랙홀 충돌'이라는 단 하나의 사건이 0.2초간 일으킨 파문을 직접적으로 '들었습니다'.

킵 손: '인터스텔라'의 과학자

킵 손은 위대한 이론가일 뿐만 아니라, 할리우드와도 인연이 깊습니다. 그는 2014년 개봉한 크리스토퍼 놀란 감독의 SF 영화 인터스텔라 [Interstellar]의 총괄 제작자이자 과학 자문을 맡았습니다. 영화 속에 등장하는 '가르강튀아' 블랙홀의 경이로운 시각 효과는, 킵 손이 직접 계산한 '일반 상대성 이론' 방정식을 시각화한 결과물이었습니다.

2017년 8월 17일: '다중 신호' 천문학의 탄생

2015년의 '블랙홀 충돌'은 '소리' [중력파]만 들렸습니다. 하지만 노벨상 발표 직전인 2017년 8월, LIGO와 유럽의 'VIRGO' 검출기는 '두 개의 중성자별이 충돌하는' 중력파를 포착했습니다.

그리고 1.7초 뒤, 전 세계의 '감마선 망원경'과 '광학 망원경'이 그 충돌 지점에서 뿜어져 나오는 '빛' [킬로노바, Kilonova]을 동시에 포착했습니다.

인류 역사상 최초로, 하나의 우주 사건을 '중력파' [소리]와 '빛' [시각]으로 동시에 관측한 것입니다. 이것이 바로 '2002년 노벨상' [데이비스, 고시바, 지아코니]의 꿈이 완성된 다중 신호 천문학 [Multi-Messenger Astronomy]의 진정한 시작이었습니다.

 

✍️ 나가며: 우주를 '듣는' 새로운 감각

 

2017년 노벨 물리학상은 100년 전 아인슈타인의 가장 대담한 예언이 마침내 '사실'이 되었음을 선언한 상이었습니다.

라이너 바이스, 배리 배리시, 킵 손은 한 세대에 걸친 집념으로, 양성자 1000분의 1 크기의 '불가능한' 떨림을 측정하는, 인류 역사상 가장 민감한 '귀'를 발명했습니다.

LIGO는 단순히 '기계'가 아닙니다. 그것은 인류에게 '시각' 외에, 우주를 '들을 수 있는' 새로운 감각을 선물한 것입니다. 우리는 이제 블랙홀의 충돌과 중성자별의 탄생이 내는 '소리'를 들으며, 우주의 가장 어둡고 폭력적인 비밀을 탐험하기 시작했습니다.