천문학자들이 어떻게 중력파를 '듣는' 법을 배웠는가?

 100년 이상 전에, 알버트 아인슈타인은 우리의 현대적인 중력 관점의 기초를 닦으면서 그의 일반 상대성 이론을 발표했다. 아인슈타인은 거대한 물체가 항성이나 블랙홀과 같이 가장 무겁고 밀도가 높은 물체를 가진 시공간 구조물을 휘게 할 수 있다고 제안하여, 그 천에 깊은 '중력 우물'을 만들어냈다. 그리고 기부된 페니가 자선 우물에 떨어졌을 때 구부러진 길을 따라 굴러가는 것처럼, 아인슈타인은 빛이 중력을 잘 통과할 때 빛의 광자의 길도 마찬가지로 변형된다는 것을 깨달았다. 그러나 그것은 아인슈타인의 이론이 예측한 모든 것과 거리가 멀다. 그것은 또한 충돌하기 전에 두 개의 매우 거대한 물체가 서로를 향해 소용돌이 칠 때, 각각의 중력 우물이 상호작용을 한다고 제안했다. 그리고 바다에서 서로 회전하는 두 개의 소용돌이들이 물속에서 강한 파문을 일으키게 될 때, 영감을 주는 두 개의 우주 물체는 중력파로 알려진 우주 시간에 걸쳐 파문을 일으킨다. 아인슈타인의 중력파의 존재에 대한 예측에도 불구하고 푸에르토리코에 있는 아레시보 천문대를 사용하는 두 천문학자가 중력파의 최초의 간접 증거를 발견한 것은 1974년에 이르러서였다. 그러나 과학자들이 중력파의 직접적인 증거를 발견하기까지는 또 다른 40년이 걸렸다. 2015년 9월 14일 워싱턴주 핸포드와 루이지애나주 리빙스턴의 레이저 간섭계 중력파 관측기는 모두 약 13억 광년 떨어진 곳에서 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 발생한 중력파의 텔테일 '치프'를 포착했다. 

이 중력파의 첫 발견으로 천문학자들은 천체물리학과 우주론에서 가장 오래 남아 있는 질문에 답할 수 있도록 도와줄 다중 메시지 천문학 시대를 열면서 그들이 우주를 탐험할 수 있는 완전히 새로운 도구의 존재를 증명했다. 그 자매 시설인 Virgo 모두 중력파가 지구를 통과할 때 우리 주변의 시공간을 약간 확장하고 수축시킨다는 점을 이용한다. 고맙게도 이 지나가는 중력파는 우리 인체에 감지할 수 없지만 LIGO와 처녀의 검출기는 그것을 집어낼 수 있을 만큼 민감하다. 실제로 첫 검출에서 나온 중력파는 원자핵 크기의 약 1/1천 정도의 거리만큼만 시공간을 긁어낼 뿐이었다. 그렇다면 LIGO는 어떻게 그런 작은 변동을 감지할 수 있었을까? LIGO와 Virgo의 협력은 1880년대에 처음 발명된 (약간 변형된) 장치를 사용한다. 미셸슨 간섭계로 더 잘 알려진 이 장치는 독특한 L자형을 가지고 있다. LIGO와 처녀에게는 이 낯익은 모양이 전에 본 것보다 훨씬 더 큰 스케일로 폭파되었다. LIGO의 각 팔은 길이가 2.5마일(4km)이다. 한편, 버고의 각 팔은 길이가 3.2km(2마일) 미만이다. 이 모든 팔에는 두 개의 거울이 있다. 하나는 악기의 시작에 있고, 하나는 맨 끝에 있다. LIGO의 경우, 일단 빔 스플리터가 각 수직 팔로 빛을 보내면, 그것은 약 300번 거울을 앞뒤로 튕겨져 총 거리가 거의 750마일(1,200km)에 이른다. 이 확장된 이동 경로는 레이저 광 증대와 결합되어 LIGO와 처녀가 중력파를 감지할 수 있는 감도를 높인다. 분할된 빛이 각 팔 안에서 앞뒤로 반복적으로 튕겨 나간 후, 두 빔은 빔 스플리터를 통해 광검출기로 되돌아간다. 그리고 두 개의 광 펄스가 각 수직 암 내에서 앞뒤로 튕겨나가는 동안 중력파가 통과한다면 검출기 암 내의 공간 시간은 불균형적으로 왜곡될 것이다. 즉 한쪽 팔에서 튕기는 빛은 다른 팔에서 튕기는 빛과는 약간 다른 거리를 이동하게 되는데, LIGO와 처녀가 그 작은 불일치를 포착할 수 있다는 것이다. 초기 LIGO 시설은 2002년부터 2010년까지 중력파 감지 없이 운영되었다. 2010년 이후 LIGO는 수년간의 업그레이드를 거쳐 2015년부터 Advanced LIGO로 다시 관찰하기 시작했다. 마찬가지로, Virgo는 2011년부터 비슷한 업그레이드를 받았다. 2015년 LIGO의 첫 검출 이후 Advanced LIGO와 Virgo 협업이 50개의 확인된 중력파 사건뿐만 아니라 첫 3회 주행 과정에서 더 많은 후보 사건들을 감지했다. 관측소의 첫 운영은 2015년 9월 시작해 2016년 1월까지 이어졌다. 

두 번째 관찰 주행은 2016년 11월부터 2017년 8월까지 진행되었다. 그리고 3차 주행은 2019년 4월부터 2019년 9월까지 전반전이 연장되면서 두 부분으로 나뉘었다. 하반기 시작은 2019년 11월이지만 COVID-19 대유행으로 나머지 연대표는 불투명하다. 과학자들은 정기적인 유지보수를 수행하는 것과 검출기를 업그레이드하는 것 사이에 그들의 시간을 보냈다. 그리고 3차 주행 전 가장 최근의 증가는 거의 매일의 중력파 사건 탐지를 약속했다. 이전에 접근할 수 없었던 잔물결을 시공간 구조에서 감지할 수 있다는 것을 증명할 뿐 아니라, 최초의 LIGO/Virgo는 적어도 3개의 신호가 2진 블랙홀 합병에서 나온다는 것을 결정했다. 이후 2017년 8월 중성자 별을 충돌시켜 생성된 첫 중력파를 이번 협력이 포착했다. 지난 몇 년 동안 LIGO와 Virgo는 점점 더 많은 이진 블랙홀 합병을 발견했다. 그리고 2019년 말, 그들은 블랙홀과 중성자 별의 합병 가능성을 포착했는데, 이것은 지금까지 목격된 적이 없는 사건이다. 데이비드 H. 레이체 LIGO 상무는 "만약 지속된다면, 이것은 LIGO와 처녀자리에게 트리플 감염자가 될 것"이라며 "3년 안에 우리는 블랙홀과 중성자 별의 모든 종류의 충돌을 관찰하게 될 것"이라고 말했다. 올해, 이 협회는 두 번째 중성자 항성 충돌과 함께, 이 그룹의 또 다른 첫 번째 잠재력인 2진 블랙홀 합병의 중력파 탐지와 관련이 있는 것으로 생각되는 빛 플레어를 관측했다. 두 개의 별빛 질량 블랙홀은 은하 중심부의 초질량 블랙홀을 공전하고 있었을 것으로 보이며, 이 블랙홀은 또한 기체와 먼지의 소용돌이 원반으로 덮여 있다. 일단 바이너리 블랙홀이 합쳐지자 초거대 블랙홀의 디스크를 통해 신경을 쓰기 시작했다. 그리고 그것이 가스를 헤치고 나가자 주위의 물질들이 불끈불끈 타올랐다. 공동저자인 만시 카슬리왈은 사이언스 데일리와의 인터뷰에서 "그는 이 플레어의 타이밍, 크기, 위치 등이 장관이었다"고 말했다. "만약 우리가 이것을 다시 할 수 있고 다른 블랙홀의 합병으로 인한 빛을 감지할 수 있다면, 우리는 이 블랙홀의 집을 못박아 그들의 기원에 대해 더 많이 배울 수 있을 것이다." 그리고 그 위에 체리처럼, 이 협력은 심지어 블랙홀과 두 번째로 혼동되는 물체, 즉 커다란 중성자 별과 작은 블랙홀을 분리하는 관측적 "질량 격차"에 확고하게 떨어지는 것을 포착했다. 가장 무겁다고 알려진 중성자 별은 태양 질량의 2.5배인 반면, 가장 가벼운 것으로 알려진 블랙홀은 약 5개의 태양 질량이다. 이 합병의 이상한 물체는 분명히 2.6개의 태양 질량을 가지고 있다. 노스웨스턴 대학의 천문학자인 비키 갈로게라는 LIGO 보도자료에서 "우리는 이 미스터리를 풀기 위해 수십 년을 기다려왔다"고 말했다.