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[IT뉴스]우주에서 온 신호 중력파…검출기는 '세상에서 가장 정밀한 자'

온카뱅크관리자

2026-08-15 08:07:28

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 <img alt="두 블랙홀이 충돌하며 만든 중력파가 시공간을 가로질러 지구의 L자형 검출기에 도달하는 모습을 표현한 이미지. 생성형 AI 제작" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080210752gbxj.png" data-org-width="680" dmcf-mid="YCXbQeTsen" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080210752gbxj.png" width="658">
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 두 블랙홀이 충돌하며 만든 중력파가 시공간을 가로질러 지구의 L자형 검출기에 도달하는 모습을 표현한 이미지. 생성형 AI 제작
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 ○ 중력파, 시공간이 출렁
 1915년 알베르트 아인슈타인은 질량을 가진 물체가 중력파를 만들어내고 중력파가 시공간을 휘게 한다고 예측했습니다. 중력파가 만들어지는 원리와 중력파가 우주 연구에 어떤 역할을 하는지 살펴봤습니다.
 ● 물체가 움직이면 시공간이 휘어진다
 2015년 9월 14일 오전 5시 51분 미국 루이지애나주와 워싱턴주에 있는 두 연구소의 컴퓨터 화면에 낯선 신호가 나타났습니다. 두 연구소에서 신호가 잡힌 시각의 차이는 0.007초였습니다. 사실상 거의 동시에 신호가 포착된 셈입니다.
 한국과 미국, 독일 등 세계 각국의 과학자 1000여 명은 약 5개월 동안 이 신호의 정체를 분석했습니다. 그 결과 신호는 태양 질량의 36배와 29배인 두 블랙홀이 충돌하면서 만들어낸 파동으로 밝혀졌습니다. 이 파동은 13억 광년의 거리를 날아 지구에 도달했습니다.
 과학자들은 이 발견으로 인류가 우주와 소통하는 새로운 창구를 확보했다고 평가했습니다. 약 100년 전 아인슈타인이 예측한 중력파의 존재가 실제 관측을 통해 확인됐기 때문입니다.
 중력파를 이해하려면 먼저 중력의 의미를 알아야 합니다. 일반적으로 중력은 질량을 가진 물체끼리 서로 끌어당기는 힘을 의미합니다. 하지만 아인슈타인은 1915년 중력을 ‘시공간의 휘어짐’으로 설명했습니다.
 트램펄린 위에 공을 올려놓으면 공이 놓인 부분이 아래로 꺼집니다. 우주 전체를 거대한 시공간의 그물망으로 가정하면 그물망 위에 태양이나 지구처럼 질량을 가진 천체가 놓일 때 해당 부분의 시공간이 휘어집니다.
 트램펄린 위의 공이 점점 빠르게 움직이거나 회전하면 트램펄린이 출렁입니다. 시공간의 그물도 이와 비슷합니다. 질량을 가진 천체가 점점 빠르게 움직이거나 회전하면 시공간의 그물이 출렁이고 그 출렁임은 파도처럼 사방으로 퍼져 나갑니다. 이것이 ‘중력파’입니다.
 중력파가 지나가면 시공간은 아주 미세하게 변합니다. 한쪽의 시공간이 늘어나면 다른 한쪽은 줄어듭니다. 질량을 가진 물체는 점점 빠르게 움직이거나 진행 방향을 바꿀 때 중력파를 만들어냅니다.
 이경하 성균관대 물리학과 교수는 “사람이 움직일 때도 주변의 시공간이 아주 조금 휘어집니다”라며 “다만 사람이 만드는 중력파는 너무 약하기 때문에 인간은 그 변화를 느낄 수 없습니다”라고 설명했습니다.
 과학자들은 특히 우주에서 지구로 오는 중력파에 주목합니다. 중력파를 관측하기 전까지 과학자들은 주로 빛을 이용해 우주를 연구했습니다. 하지만 블랙홀은 빛조차 빠져나오지 못하는 천체이기 때문에 빛을 이용한 연구에는 한계가 있었습니다.
 중력파는 질량이 있는 물체가 움직일 때 만들어집니다. 블랙홀이 충돌하거나 서로의 주변을 공전할 때도 중력파가 발생합니다. 과학자들은 중력파를 분석해 그동안 직접 볼 수 없었던 블랙홀의 비밀을 밝히고 있습니다. 더 나아가 별 내부에서 일어나는 핵융합 현상과 우주가 처음 탄생했을 당시의 모습도 연구하고 있습니다.
 이 교수는 “중력파는 우주에서 들려오는 파동을 이용해 우주를 관측하게 한다는 점에서 ‘우주를 바라보는 귀’라고 할 수 있습니다”라고 설명했습니다.
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 <img alt="왼쪽부터 중력파 검출기(노란색 표기 부분 검출기의 팔), 중력파 검출기의 거울(약 40kg). VIRGO 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080212023dmel.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="GZxcCvfzii" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080212023dmel.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 중력파 검출기(노란색 표기 부분 검출기의 팔), 중력파 검출기의 거울(약 40kg). VIRGO 제공
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 ○ 중력파 검출기, 세상에서 가장 정밀한 자
 중력파는 눈으로 볼 수도, 소리로 들을 수도 없습니다. 과학자들은 중력파 검출을 위해 제작한 특수한 기기를 이용해 중력파를 찾아냅니다. 중력파 검출 과정과 연구자들이 경험한 검출 뒷이야기를 살펴봤습니다.
 ● 레이저를 쏘아 중력파를 읽어낸다
 아인슈타인이 중력파의 존재를 처음 예측한 뒤 실제로 중력파를 검출하기까지 약 100년이 걸렸습니다. 중력파는 매우 먼 거리에서 잡음과 섞인 채 지구에 도달하기 때문에 세기가 매우 약합니다. 중력파를 검출하려면 정밀한 기계가 필요합니다.
 중력파를 검출할 수 있는 기계는 전 세계에 네 대가 있습니다. 미국의 라이고 검출기 2기와 이탈리아의 비르고, 일본의 카그라입니다. 네 검출기는 모두 길이 3~4km의 거대한 팔 두 개를 알파벳 ‘L’자 형태로 배치한 구조입니다.
 두 팔이 맞닿는 지점에서 양쪽 팔의 끝을 향해 같은 강도의 레이저를 발사합니다. 레이저는 팔 끝에 설치된 거울에 반사된 뒤 다시 돌아옵니다.
 평소에는 두 팔을 왕복하는 레이저의 길이가 같습니다. 그러나 중력파가 검출기를 지나가면 두 레이저의 길이가 달라집니다. 시공간이 휘면서 한쪽 팔의 레이저는 길어지고 반대쪽 팔의 레이저는 짧아지기 때문입니다.
 과학자들은 두 레이저의 길이 차이를 이용해 중력파를 분석합니다. 길이 차이는 약 10⁻¹⁸m로 매우 짧고 중력파가 검출기를 스치는 시간도 약 0.015초에 불과합니다.
 김정리 이화여대 물리학과 교수는 이처럼 미세한 길이 변화까지 포착하는 중력파 검출기를 “세상에서 가장 정밀한 자”라고 표현했습니다.
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 <img alt="2세대 블랙홀의 상상도. LIGO Caltec 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080213252bhna.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="HHaZ7bkLMJ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080213252bhna.jpg" width="658">
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 2세대 블랙홀의 상상도. LIGO Caltec 제공
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 ○ 중력파가 담고 있는 정보는?
 지금까지 발견된 중력파는 390건에 이릅니다. 최근 공개된 중력파 사건 목록에는 중력파가 알려주는 우주의 다양한 정보가 담겼습니다.
 ●중력파로 밝힌 블랙홀의 대물림
 지난 5월 26일 현지시각 중력파를 연구하는 국제협력 네트워크 ‘라이고-비르고-카그라(LVK)’는 2015년 첫 관측 이후 지금까지 발견한 중력파 사건 390건을 정리한 목록을 공개했습니다.
 목록에는 중력파가 날아온 위치와 신호의 선명도, 각각의 중력파를 통해 새롭게 밝혀진 사실들이 담겼습니다. 
 중력파 사건 목록에 따르면 중력파는 그동안 직접 관측하기 어려웠던 블랙홀의 충돌과 진화 과정을 밝히는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 김정리 이화여대 물리학과 교수는 “블랙홀을 연구하는 가장 강력한 방법이 중력파입니다”라고 강조했습니다.
 블랙홀은 거대한 별이 붕괴하면서 만들어집니다. 블랙홀끼리 가까워지다가 충돌하면 더 큰 블랙홀이 만들어집니다. 이를 ‘2세대 블랙홀’이라고 부릅니다. 그동안 2세대 블랙홀은 이론으로만 검증됐으며 명확한 관측 증거는 발견되지 않았습니다.
 과학자들이 2024년 10월과 11월에 탐지된 중력파 GW241011과 GW241110을 분석한 결과, 두 신호를 만든 블랙홀은 일반적인 블랙홀보다 훨씬 무겁고 빠르게 회전하는 것으로 나타났습니다. 과학자들은 해당 블랙홀이 2세대 블랙홀일 가능성이 크다고 분석했습니다.
 이성호 한국천문연구원 책임연구원은 “2세대 블랙홀의 흔적은 블랙홀이 자라는 여러 방식을 이해하는 데 중요한 단서가 됩니다”라고 설명했습니다.
 사건 목록에는 지금까지 관측된 중 가장 선명한 중력파와 중력파가 발생한 천구상의 위치를 가장 정확하게 밝혀낸 사례도 담겼습니다. 이러한 정보는 알베르트 아인슈타인과 스티븐 호킹 등 과학자들이 발표한 이론을 검증하고 초기 우주의 발전 과정을 밝히는 데 도움이 됩니다.
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 <img alt="왼쪽부터 중력파 검출기의 거울과 팔. VIRGO 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080214474jvfa.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="Xrl9MJWIJd" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/15/dongascience/20260815080214474jvfa.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 중력파 검출기의 거울과 팔. VIRGO 제공
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 중력파는 일상생활과 다소 멀게 느껴질 수 있습니다. 새로운 중력파가 발견됐다고 해서 생활을 즉시 편리하게 만드는 기술이 개발되는 것은 아니기 때문입니다.
 그러나 중력파 연구자들은 중력파 연구가 우주를 해석하고 인류의 기원을 이해하는 데 도움이 된다고 설명합니다.
 김정리 교수는 “중력파를 통해 지구에서 멀리 떨어진 우주의 현상과 초기 우주의 생성 과정을 알게 되면 결국 인류가 어디에서 왔고 어떻게 만들어졌는지에 대한 단서를 얻을 수 있습니다”라고 강조했습니다.
 중력파를 비롯한 기초과학 연구는 오랜 시간이 지난 뒤 실생활에 영향을 주기도 합니다. 아인슈타인의 상대성이론이 오늘날 위성위치확인시스템(GPS)을 이용해 정확한 위치를 계산하는 데 활용되는 것처럼, 현재의 중력파 연구도 미래 기술의 출발점이 될 수 있습니다.
 이경하 교수는 “당장 쓰임새가 명확하지 않더라도 기초과학은 새로운 기술을 만드는 실마리가 됩니다”라며 “가끔 하늘을 올려다보세요. 지금 이 순간에도 중력파는 여러분 곁을 지나가고 있을지도 몰라요!"라고 말했습니다.
 ※관련기사 어린이과학동아 8월 1일, 우주에서 온 신호, 중력파
 [전하연 기자 yeon@donga.com]
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