일본산업뉴스요약

중력파 검출에 노벨상 수상
일본도 우주에서 다음기회를 기약한다

미국 연구팀이 처음으로 검출에 성공해 올해 노벨 물리상의 수상 대상이 된 중력파. 일본에서도 검출을 목표로「중력파 망원경」으로 불리는 거대한 관측장치를 건설했으나, 첫 관측은 미국에게 양도해야만 했다. 다음 타깃은 우주의 탄생 초기에 발생된 중력파를 검출하는 것이다. 보다 거대한 중력파 망원경을 우주에 쏘아 올려 관측하기 위해 유럽 및 일본 등이 발 빠르게 움직이기 시작했다.

유럽우주기관(ESA)이 최근에 계획을 승인한 우주 중력파 망원경「LISA(리사)」는 2034년 발사를 목표로 하고 있다. 미 항공우주국(NASA)와 협력하여 3기(基)의 우주관측기를 쏘아 올려 250만km 간격으로 삼각형의 편대를 이루면서 태양의 주위를 순회한다. 레이저 광을 사용하여 우주관측기 사이에서 발생하는 근소한 거리의 변화를 검출해 중력파를 찾아낸다.

이런 거대한 중력파 망원경을 우주에 건설하려는 계획은 유럽이나 미국만이 아니다. 일본에서는 독자적인「DECIGO(디사이고)」라는 구상이 검토되고 있다. 중국에서도 몇몇의 비슷한 구상이 제안되고 있다고 한다.

이번 노벨상의 대상인 미국의 중력파 망원경「라이고(LIGO)」가 첫 번째로 관측한 중력파는 13억광년 전의 두 개의 블랙홀이 합체할 때 발생한 것이었다. 유럽과 일본이 앞으로 관측을 목표로 삼고 있는 것은 우주가 탄생한 직후에 발생한 것으로 파악되는「원시 중력파」이다.

우주는 탄생으로부터 약 135억년이 지난 것으로 파악되고 있으나, 지금까지는 우주 탄생으로부터 약 38만년 지난 이후로만 관측되고 있다. 그러나 중력파를 사용한다면 그보다 훨씬 전의 우주를 관측할 수 있어, 우주 탄생으로부터 1초 이내의 모습도 파악할 수 있게 될 것으로 기대를 모으고 있다. 이 우주 탄생 직후의 원시 중력파를 검출할 수만 있다면 노벨상 급의 성과라고 할 수 있다.

이번 노벨상을 수상하게 된 연구팀이 사용한 라이고(LIGO)는 4km의 진공 튜브를 2개 조합하여 레이저 광을 사용해 중력파의 영양으로 발생하는 거리의 미세한 변화를 조사했다. 그러나 원시 중력파는 파장이 상당히 길기 때문에 이를 파악하기 위해서는 거대한 중력파 망원경이 필요하다. 따라서 지상에 건설하는 것은 어렵기 때문에 우주에 관측 장치를 쏘아 올려 거대한 중력파 망원경을 만들려고 하는 것이다.

■ 탄생 직후의 우주 상태를 관측
일본의 디사이고는 유럽의 리사와는 다른 파장의 중력파를 고감도로 파악하는 것을 목표로 하고 있다. 국립 천문대중력파 프로젝트추진실의 아쿠스(阿久津) 조교수는「관측에 방해가 되는 가속도 노이즈가 리사보다 약 50배 조용해지는 것을 목표로 하고 있다」라고 말한다. 리사와 같이 3기의 우주관측기로 구성되어 있으나, 관측 장치의 방식 및 관측하는 중력파의 파장의 차이로 인해 우주 관측기의 간격은 1,000km로 리사보다 짧다.

발사 목표는 리사가 계획하고 있는 2034년보다 조금 뒤인 약 20년 이후를 목표로 하고 있다. 실현된다면, 우주 탄생 직후에 발생된 중력파 중, 주파수 0.1㎐의 것을 검출할 수 있을 것으로 예상되며, 우주 탄생의 모습을 관측 할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

리사는 아쿠스와 동일하게 우주의 탄생 직후에 발생된 중력파 중, 주파수가 1,000분의 1㎐의 중력파를 알아낼 계획이다. 우주가 시작된 직후의 중력파라는 점은 동일하지만, 중력파의 발생하는 시간에 약간의 차이가 있다. 「2개의 관측을 하나로 합치면 우주가 탄생했을 때에 급속히 팽창한 인프레이션 이론 중에서 어떤 것이 정확한 것인지를 밝힐 수 있을지도 모른다」라며 아쿠스 교수는 기대감을 내비쳤다.

물론 3기의 우주관측기를 서로 간격을 유지시키면서 편대 비행을 통해 중력파를 관찰한다는 것은 상당히 높은 기술력을 필요로 한다. ESA는 리사에 의한 중력파 관측이 가능하다는 것을 확인하기 위해 2015년에 실험기「리사 패스파인더」를 쏘아 올려, 기술적인 검증을 시행했다. 이 리사 패스파인더에 의한 실험이 순조롭게 진행되었기 때문에 리사의 계획 승인으로 이어질 수 있었다.

■ 우주에서는 1일에 수 백 회도 관측이 가능
중력파는 물체가 지닌 질량 등에 의해 발생하는 시공간의 일그러짐이 광속으로 파도처럼 전달되는 현상을 말한다. 물리학자인 아인슈타인이 자신의 일반상대성이론을 기반으로 1916년에 그 존재를 예언하였으나, 관찰은 지극히 어렵다고 인식되어 오랫동안「아인슈타인의 최후의 숙제」로 자리매김 해 왔다.

중력파는 빛이나 전파와 다르게 아무런 방해를 받지 않고 우주에 광속으로 퍼져나간다. 지금까지의 망원경으로는 알 수 없었던 탄생 직후의 우주의 생태 및 블랙 홀 등의 관측 등에 커다란 역할을 해 줄 것으로 기대되고 있다.

블랙홀의 합체나 원시 중력파뿐만 아니라 중력파를 관측함으로써 중성자별의 합체 및 초신성의 발생 상황 등, 다양한 천체현상의 관측이 가능하게 된다. 라이고 및 일본의 카그라(KAGRA) 등 지상의 중력파 망원경으로 중력파를 검출할 수 있는 것은 1년에 10번 정도이지만, 우주 중력파 망원경이라면 하루에 수 백 회도 관측이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다. 암흑물질(Dark matter)이나 다크 에너지 등, 그 동안 물리학자나 천문학자들이 골치를 썩여왔던 정체와 현상의 해명으로 이어질 가능성도 있다.

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