국제 중력파 검출기 네트워크, 중력파 천문학 분야서 신기록 수립

- 현재까지 390건 탐지…역대 최고 선명한 신호 포착 등 

- 양적·질적 쾌거…중력파 천문학의 성숙기 

  국내 연구진(한국중력파연구협력단)이 포함된 라이고-비르고-카그라(LIGO–Virgo–KAGRA, 이하 LVK*) 협력단이 새로운 중력파 사건 목록을 발표했다. LVK 협력단이 운영하는 국제 중력파 검출기 네트워크는 2024년 4월부터 2025년 1월 말까지 탐지된 총 161건의 사건을 목록에 추가함에 따라 현재까지 탐지된 중력파 신호는 총 390건으로 늘어났다. 가장 중요한 발견으로는 중력파 발생원의 천구 위치를 역대 최고의 정밀도로 확인, 지금까지 기록된 것 중 가장 선명한 중력파 신호, 2세대 블랙홀의 존재에 대한 증거 등이 있다. 이는 중력파 천문학의 성숙기를 알리는 성과로 꼽힌다.

※ LVK 국제 중력파 검출기 네트워크는 미국 국립과학재단(NSF) 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 쌍둥이 검출기, 이탈리아에 위치한 유럽 중력파 관측소(European Gravitational Observatory)가 운영하는 비르고(Virgo) 검출기 그리고 도쿄대학 우주선 연구소(ICRR)가 운영하는 일본의 카그라(KAGRA)로 구성되어 있다.

  LVK 협력단이 운영하는 국제 중력파 검출기 네트워크는 지난 5월 26일, ‘중력파 현상 카탈로그 5.0(GWTC-5.0)’이라는 명칭으로 현재까지 관측된 모든 중력파 사건에 대한 업데이트된 목록을 온라인에 공개했으며, 관련 과학 논문들은‘천체물리학 저널(Astrophysical Journal)’과 ‘천체물리학 저널 레터스(Astrophysical Journal Letters)’에 투고됐다고 발표했다. 이번 업데이트된 목록에는 제4차 관측 주기(O4)의 일부인 O4b 기간(2024년 4월 10일부터 2025년 1월 28일)에 발생한 최신 중력파 사건들이 포함되어 있다. 이 기간 동안 161건의 새로운 중력파 사건이 탐지되어, 2015년 첫 탐지 이후 확인된 사건은 총 390건에 달하게 되었다. 

  이번에 추가된 중력파 사건들을 포함해 2023년 5월 이후 제4차 주기에서 관측한 사건들은 2015년 최초 탐지 이후 약 10년 동안 탐지된 전체 중력파 사건의 75%를 차지한다. 이 결과는 감도 향상을 위해 검출기 업그레이드가 얼마나 중요한지 보여준다. 이를 통해 관측 주기가 거듭될수록 탐지된 사건 수가 비약적으로 증가하고 있음을 입증한다. 실제로 국제 LVK 협력단은 관측 주기에 따른 데이터 수집 기간과 검출기 업그레이드 및 시운전 단계를 번갈아 진행하고 있다. 이것이 바로 검증된 데이터와 중력파 발생원의 물리량을 포함한 중력파 사건 카탈로그가 주기적으로 업데이트되어 더 넓은 과학계에 공유되는 이유이기도 하다.

  프랑스 국립과학연구센터(CNRS) 산하 천체입자 및 우주론 연구소(APC)의 연구원인 에드 포터(Ed Porter)는 “우리 검출기의 놀라운 감도 덕분에 이제 매주 3~4건의 중력파 신호를 포착할 수 있게 되었다. 과학자와 천문학자 전체 커뮤니티가 분석하고 연구하기 위해 노력하고 있는 이 끊임없이 늘어나는 방대한 데이터는 우리를 초기 발견의 시대에서 정밀 중력파 천문학의 시대로 이끌었다.”고 말했다. 더불어 “오늘날 중력파 연구를 통해 이전에는 상상조차 할 수 없었던 분석이 가능해졌다. 블랙홀 집단의 구성 분석, 극한 물리적 조건 하에서 일반상대성이론에 대한 점점 더 정밀한 검증, 그리고 허블 상수를 더욱 정확하게 추정하기 위한 새로운 방법의 개발 등이 그것이다. 불과 10년 전만 해도 이런 시나리오를 예상한 사람은 거의 없었을 것이다.”고 전했다. 

  양적인 면뿐만 아니라 질적인 면에서도 돋보인다. 이번 새로운 목록에는 중력파 발생원에 대한 역대 최고의 천구 위치 특정 정확도 달성, 지금까지 가장 선명한 중력파 신호 기록 그리고 2세대 블랙홀의 존재에 대한 증거 확보 등 이례적인 여러 관측 결과가 포함됐다. 

○ 역대 최고의 천구 위치 특정 정확도

  2024년 6월 15일 미국의 두 라이고(LIGO) 검출기와 유럽의 비르고(Virgo)가 포착한 신호(GW240615로 명명)는 현재까지 관측된 모든 중력파 사건 중 가장 정밀한 천구 위치 특정 기록을 세웠다. 이 신호의 발생원 위치는 천구에서 비교적 작은 부분인 불과 6제곱도 이내의 영역으로 확인됐다. 이러한 성과는 2024년 4월 O4b 관측 캠페인이 시작되면서 관측 활동에 재합류해 네트워크의 발생원 위치 파악 능력에 크게 기여한 비르고(Virgo)를 포함해, 당시 가동 중이던 세 검출기 모두의 데이터를 활용한 삼각 측량 덕분에 달성됐다. 이번 관측에서 기록적인 위치 정밀도로 포착된 중력파 현상은 지구에서 30억 광년 이상 떨어진 곳에서 태양질량의 약 26배와 30배의 두 블랙홀이 격렬하게 충돌하며 합쳐진 사건이었다.

  “천구 상에서 발생원의 위치를 점점 더 정밀하게 파악하는 것은 관측된 사건, 특히 중성자별 병합이나 블랙홀과 중성자별의 병합에서 발생하는 전자기파 신호를 가능한 한 좁은 천구 영역 내에서 탐색하기 위해 천문학계 전체의 최우선 과제 중 하나”라고 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)의 연구원이자 비르고(Virgo) 협력단 대변인인 마리 안 비주아르(Marie Anne Bizouard)는 말했다. 

  중력파 검출기 네트워크의 위치 파악 능력이 향상되고 데이터 세트의 규모가 확대됨에 따라, 정확한 값을 둘러싸고 우주론계에서 여전히 큰 논쟁이 벌어지고 있는 허블 상수 H0를 더 정확하게 추정할 수 있게 됐다. GWTC-5 데이터 세트를 사용하여 LVK 협력단은 허블 상수에 대한 새로운 독립적 측정값(H0=〖71.0〗_(-7)^(+9) km s⁻¹ Mpc⁻¹)을 얻었으며, 이는 이전 카탈로그 발표에서 나온 추정치보다 정확도가 25% 이상 향상된 수치이다. 이 값은 가까운 우주와 초기 우주에서 오랫동안 확립된 측정값들과 일치하지만, 아직은 그 측정값들 간 모순을 해소할 만큼 충분히 정밀하지는 않다.

○ 역대 가장 선명한 중력파 신호

  중력파를 탐지한다는 것은 단순히 신호를 포착하는 것을 넘어 검출기를 방해하는 잡음 속에서 신호를 추출해내는 것을 의미한다. 이를 위해서는 철저한 잡음 저감 노력과 매우 정교한 데이터 분석이 필요하다. 이 때문에 신호의 ‘강도’나 ‘선명도’는 신호대잡음비(SNR)로 표현된다. 이번에 발표된 목록에는 신호대잡음비 76.9를 기록한, 지금까지 탐지된 중력파 신호 중 가장 선명한 신호가 포함되어 있다. 이 신호인 GW250114는 2025년 1월 14일 지구에 도달했으며, 지구에서 10억 광년 이상 떨어진 곳에서 질량이 거의 동일한 두 블랙홀(각각 태양질량의 32배와 34배)이 합쳐지면서 발생했다. 이 신호의 ‘선명함’ 덕분에 최근 몇 달간 LVK 협력단이 발표하고 공개한 몇 가지 탁월한 과학적 성과가 도출되었는데, 여기에는 지금까지 수행된 일반상대성이론에 대한 가장 정밀한 검증과 스티븐 호킹의 블랙홀 면적 정리의 확인이 포함된다.

○ 2세대 블랙홀

  이번에 발표된 새로운 목록에 포함된 또 다른 주목할 만한 결과는 GW241011과 GW241110이라는 두 가지 특별한 사건과 관련이 있다. 2024년 10월과 11월, 불과 한 달 간격으로 탐지된 이 신호들은 각각 지구에서 약 7억 광년과 24억 광년 떨어진 곳에서 발생한 두 건의 블랙홀 병합에 의해 생성된 것이다. 이 병합들의 특정 특성, 특히 블랙홀의 회전 방향과 속도는 해당 천체들이 ‘2세대’ 블랙홀, 즉 이전의 병합을 통해 생성된 블랙홀일 가능성을 시사한다. 이 천체들은 아마도 블랙홀이 반복적으로 충돌하고 합쳐질 가능성이 높은 성단 같은 매우 밀집된 우주 환경에서 형성되었을 것이다. 관측된 사건의 수가 증가함에 따라 연구자들은 다양한 블랙홀 집단의 특성을 연구하고 점점 더 명확하게 규명할 수 있게 되었다.

  이번 연구는 다양한 방법으로 우주를 연구하는 세계 20여 개국, 150여 개 기관 소속 총 3,000여 명 과학자들의 협동 연구로 이뤄졌다. 국내에서는 한국천문연구원 등 35개 기관 소속 100여 명의 연구자들로 구성된 한국중력파연구협력단(책임자: 이형원 교수, 인제대)이 이 연구에 참여했다. 

또한 과학기술정보통신부(장관 배경훈)와 한국연구재단(이사장 홍원화)이 추진하는 개인기초연구사업(우수연구, 중견연구, 신진연구, 세종과학펠로우십)과 과학난제도전 융합연구개발사업, 교육부(장관 최교진)의 기본연구 및 박사과정생연구장려금지원사업, 그리고 한국천문연구원의 ‘차세대 중력파 검출기 국제공동개발 참여를 위한 레이저 간섭계 첨단기술 개발’사업이 이 연구를 지원했다.

  한국중력파연구협력단 단장 인제대학교 이형원 교수는 “2015년 중력파가 최초로 검출된 이후 검출기 감도의 획기적인 향상으로 중력파 상시 관측 시대가 도래했다”며 “앞으로 다중신호 천문학을 통해 중력파, 빛, 중성미자 관측 자료를 종합적으로 연구함으로써 우주에 대한 새로운 물리적 이해와 중요한 과학적 발견이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

  LVK 협력단 밀집쌍성병합 그룹의 공동 좌장 중 한 명인 이화여자대학교 김정리 교수는 “불과 10여 년 사이 중력파 과학 연구가 급속히 발전하고 있다. 수백 건의 블랙홀과 중성자별 관측 및 분석 결과는 킬로미터급 거대 레이저 간섭계가 중력파를 통해 우주를 탐구하는 데 매우 효과적인 장비임을 보여주는 중요한 성과”라고 말했다. 

  한국천문연구원의 이성호 책임연구원은 “우리나라는 라이고(LIGO)와 카그라(KAGRA)의 성능 향상에 기여하고 있으며 2035년 완성 목표인 아인슈타인 중력파 망원경 개발에도 참여하고 있다”며 “10년 후 차세대 중력파 망원경의 시대에는 매일 수백 건의 중력파 관측을 통해 일반상대성이론의 한계 검증, 허블상수에 관한 우주론 난제 해결 등 물리학과 천문학의 새로운 도약이 기대된다”고 말했다.