2017년 노벨물리학상의 영광은 라이너 바이스 매사추세츠공대 명예교수, 배리 배리시, 킵 손 캘리포니아공대 명예교수 등 3명에게 돌아갔다. 이들의 성과는 질량이 있는 물체가 일으키는 '중력파'를 최초로 확인한 것이다. 특히 손 교수는 영화 '인터스텔라'의 과학고문으로 참여하면서 대중에게 이름을 알린 바 있다.

3일(현지시간) 노벨위원회는 이들의 소속을 모두 '라이고/비르고 협력단'(LIGO/VIRGO Collaboration)으로 표기하고 '라이고 탐지기와 중력파 관측에 대한 결정적 기여'를 업적으로 꼽았다.

미국 2곳에 탐지기를 둔 라이고(LIGO)는 미국이 주도하는 중력파 관측단이며, 이탈리아에 탐지기를 둔 비르고(VIRGO)는 이탈리아·프랑스·네덜란드·폴란드·헝가리 주도의 중력파 관측단이다.

이 연구단들은 블랙홀 충돌 등으로 일어나는 시공간의 미세한 일그러짐인 '중력파'를 매우 정밀한 기기를 활용해 탐지하고 분석하는 일을 하고 있다. 라이고 연구진은 지난해 2월 공간과 시간을 일그러뜨린다는 중력파의 존재를 직접 측정 방식으로 탐지했다고 발표했다.

◆뉴턴이 발견한 '중력', 아이슈타인의 '의문'→라이고의 '발견'

17세기에 아이작 뉴턴(1642~1727)은 만유인력의 법칙을 발표했다. 두 물체 사이에 서로를 잡아당기는 힘. 즉, 만유인력은 질량의 곱에 비례해서 커지며 둘 사이 거리의 제곱에 반비례한다는 주장이었다. 사과가 무거울 수록 빠르게, 높이 달려있을 수록 빠르게 땅에 떨어진다는 뜻이다.

다만 뉴턴의 만유인력의 법칙에는 한 가지 허점이 있었다. 행성의 움직임을 설명하는데 한계가 작용한 것이다. 예를들어 질량이 지구의 33만 배가 넘는 태양과 수성의 움직임을 만유인력의 법칙으로 설명하자면 수성이 태양 주위를 '일정한 타원 모양'의 궤도로 돌아야 한다. 그러나 실제로는 수성의 근일점이 100년에 약 43초씩 알 수 없는 이유로 움직이고 있었던 것이다.

여기에 알베르트 아인슈타인(1879∼1955)은 뉴턴이 세운 전제에 의문을 가졌다. 뉴턴은 물체를 둘러싼 공간과 시간은 불변하다고 가정했지만 아인슈타인은 변할 수 있다고 생각한 것이다.

아인슈타인은 연못에 돌을 던지면 파동이 일 듯, 물체의 가속운동에 의해 빛이 이동하는 공간이 휘어지고, 시간도 느려진다고 설명했다. 아인슈타인이 다시 설명한 중력은 질량을 가진 물체가 시공간을 휘게 만들면서 생기는 힘이다.

특히 질량이 매우 큰 블랙홀과 같은 물체들이 충돌하면 그 과정에서 시공간이 일그러지는 파동이 우주의 전체 공간으로 퍼져 나간다며 이를 '중력파'라고 불렀다. 중력파 이론을 적용한다면 태양과 수성의 비규칙적 움직임을 설명할 수 있다. 다만 아이슈타인은 '중력파'의 존재를 예측했지만 증명을 해내지는 못했다. 중력파가 지구에 도달하면서 세기가 극도로 약해져 검출하기 어려운 탓이었다. 이를 직접 탐지하려면 1해(亥·10의 20거듭제곱)분의 1 혹은 이를 능가하는 수준의 정밀도가 필요했다.

이를 바이스 교수가 1970년대에 배경 노이즈를 극복할 수 있는 초정밀 레이저 간섭계를 설계함으로써 중력파를 탐지할 수 있다는 기대가 실렸다.

바이스 교수는 이어 1980년대에 손 교수와 고(故) 로널드 드레버 캘리포니아공대 명예교수와 함께 중력파를 검출하기 위해 초정밀·초대형 시설을 만들자는 '라이고 프로젝트'를 세계 과학계에 제안했다. 그리고 배리시 교수는 1994년 결성된 라이고 연구단의 연구책임자(PI) 역할을 맡아왔다.

라이고 연구단은 2015년 9월 14일 사상 최초로 중력파를 탐지하는데 성공했고, 그 분석 결과를 2016년 2월에 내놓았다.

라이고 연구단이 처음으로 탐지했던 중력파는 태양 질량의 36배와 29배인 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성이 지구로부터 13억 광년 떨어진 곳에서 충돌해 합쳐지는 과정에서 나온 것이다. 이 신호는 13억년 후에야 지구에 도달했다.

라이고 연구단의 중력파 탐지는 발표 직후부터 우주 탄생을 이해하는 데 큰 구멍을 메워 줄 우리 시대의 가장 큰 과학 발견 중 하나로 꼽혔고, 이번 노벨물리학상 수상으로 성과를 인정받은 것이다.

아울러 과학계는 중력파가 눈으로 보거나 자외선이나 적외선, X선 등 전파로 관찰하던 우주의 더 깊은 속을 들여다볼 수 있는 새로운 창을 제공할 것으로 기대하고 있다. 블랙홀의 질량을 직접 측정할 수 있고 두 중성자별의 병합, 초신성 폭발, 감마선 폭발 등 그간 천체망원경이나 전파망원경으로 볼 수 없던 현상을 관측할 수 있을 것으로 보고 있다.

한편 라이고 연구단은 첫 중력파 탐지 이후에도 블랙홀 충돌로 생긴 중력파를 2015년 12월, 올해 1월과 8월에도 탐지하는 데 성공하는 등 연구를 이어 나가고 있다. 이 중 올해 8월 탐지는 라이고·비르고 양 연구단이 함께 한 것으로, 중력파 관측을 위한 새로운 국제 협력의 첫 성공 사례다.