천체물리학자, 새로운 방식으로 공간과 시간의 파장을 탐색하다

콜로라도 볼더 대학교의 천체물리학자 제러미 달링은 우주의 중력파 배경을 측정하는 새로운 방법을 연구하고 있습니다. 중력파 배경은 우주를 휘젓고 공간과 시간의 구조 자체를 뒤틀어 놓는 끊임없는 파동의 흐름입니다.

천체물리학 저널 에 게재된 이 연구는 언젠가 우주의 가장 깊은 신비 중 일부를 푸는 데 도움이 될 수 있으며, 여기에는 중력이 가장 기본적인 수준에서 작동하는 방식이 포함됩니다.

"중력파를 이렇게 정밀하게 측정함으로써 우리는 많은 것을 배울 수 있습니다."라고 천체물리학 및 행성과학과 달링 교수는 말했습니다. "중력의 종류가 다양할수록 다양한 종류의 중력파가 발생할 수 있습니다."

이런 파동이 어떻게 작용하는지 이해하려면 지구를 폭풍우가 치는 바다에 떠 있는 작은 부표로 상상해 보면 도움이 됩니다.

달링은 우주의 역사를 통틀어 셀 수 없이 많은 초거대 블랙홀들이 불안정한 춤을 추었다고 설명했습니다. 이 거대한 블랙홀들은 점점 더 빠르게 서로 맴돌다가 결국 충돌합니다. 과학자들은 그로 인한 충돌이 너무나 강력해서 말 그대로 우주로 퍼져 나가는 파문을 만들어낼 것이라고 추측합니다.

이러한 배경 소음은 항상 우리 지구를 휩쓸고 지나가지만, 우리는 결코 알아차리지 못할 것입니다. 달링이 측정하려는 중력파는 일반적으로 매우 느리게 진행되어 수년에서 수십 년에 걸쳐 지구를 통과합니다.

2023년, 나노그래브(NANOGrav) 협력단 소속 과학자 팀은 우주파동 풀을 측정하여 놀라운 성과를 거두었습니다. 연구팀은 우주의 중력파 배경이 시공간을 어떻게 늘리고 압축하는지, 그리고 펄서(우주 시계와 유사한 역할을 하는 천체)에서 지구로 들어오는 빛에 어떤 영향을 미치는지 기록했습니다.

하지만 이러한 세부적인 측정은 중력파가 해안선을 향해 직선으로 흐르고 멀어지는 파동과 유사하게 단일 방향으로만 움직이는 것을 포착할 뿐입니다. 반면 달링은 중력파가 지구와 비교하여 좌우로, 상하로 어떻게 움직이는지 보고자 합니다.

최근 연구에서 이 천체물리학자는 또 다른 종류의 천체, 즉 은하 중심에 위치한 비정상적으로 밝은 초거대 블랙홀인 퀘이사의 도움을 받았습니다. 달링은 하늘에서 퀘이사들이 서로 어떻게 움직이는지 정밀하게 측정하여 중력파 신호를 찾습니다. 그는 아직 이러한 신호를 발견하지 못했지만, 더 많은 데이터가 확보됨에 따라 상황이 바뀔 수 있습니다.

달링은 "중력파는 3차원에서 작용합니다."라고 말했다. "중력파는 우리 시야를 따라 시공간을 늘리고 압축할 뿐만 아니라, 하늘에서 물체가 앞뒤로 움직이는 것처럼 보이게 만들기도 합니다."

움직이는 은하계

이 연구는 천체가 어떻게 움직이는지 연구하는, 악명 높게 까다로운 작업인 천체측량학이라는 분야를 심도 있게 다룹니다.

달링은 퀘이사가 지구에서 수백만 광년 이상 떨어져 있다고 설명했습니다. 이러한 천체에서 나오는 빛이 지구를 향해 빠르게 이동할 때, 반드시 직선으로 나아가는 것은 아닙니다. 오히려 지나가는 중력파가 그 빛을 휘게 하는데, 마치 야구 투수가 커브볼을 던지는 것처럼 말입니다.

그 퀘이사는 실제로 우주에서 움직이지 않지만, 지구에서 보면 움직이는 것처럼 보일 수도 있습니다. 우리 주변에서 일어나는 일종의 우주적 흔들림이죠.

달링은 "만약 여러분이 수백만 년 동안 살았다면, 이런 믿을 수 없을 정도로 작은 움직임을 실제로 관찰할 수 있었을 것이고, 이런 퀘이사가 앞뒤로 흔들리는 것을 볼 수 있었을 것입니다."라고 말했습니다.

아니면 그게 이론일지도 모릅니다. 실제로 과학자들은 이러한 움직임을 관찰하는 데 어려움을 겪었습니다. 부분적으로는 이러한 움직임을 관찰하기 어렵기 때문입니다. 지구에서 달에서 사람 손톱이 자라는 것을 관찰하는 데 필요한 것보다 10배 더 높은 정밀도가 필요합니다. 하지만 지구는 우주를 돌고 있습니다. 지구는 태양을 시속 약 67,000마일(약 10만 8천 킬로미터)의 속도로 공전하고 있으며, 태양 자체도 시속 850,000마일(약 136만 8천 킬로미터)이라는 엄청난 속도로 우주를 질주하고 있습니다.

다시 말해, 중력파 신호를 감지하려면 지구 자체의 운동과 퀘이사의 겉보기 운동을 구분해야 합니다. 달링은 이 과정을 시작하기 위해 유럽 우주국(ESA)의 가이아 위성 데이터를 활용했습니다. 2013년 가이아 위성이 발사된 이후, 가이아 과학팀은 약 3년 동안 백만 개가 넘는 퀘이사에 대한 관측 결과를 발표했습니다.

달링은 이러한 관찰 결과를 바탕으로 퀘이사를 쌍으로 나눈 다음, 이 쌍들이 서로에 대해 어떻게 움직이는지 주의 깊게 측정했습니다.

그의 연구 결과는 중력파가 퀘이사를 흔들게 한다는 것을 증명할 만큼 아직 충분히 상세하지는 않습니다. 하지만 달링은 이것이 중요한 연구라고 말했습니다. 예를 들어 중력파의 물리 법칙을 밝히는 것은 과학자들이 우리 우주에서 은하가 어떻게 진화하는지 이해하고 중력에 대한 근본적인 가정을 검증하는 데 도움이 될 수 있습니다.

천체물리학자는 곧 그 연구에 도움을 받을 수 있을 것입니다. 2026년, 가이아 팀은 5년 반 동안의 퀘이사 관측 자료를 추가로 공개하여 우주 중력파 배경의 비밀을 밝혀낼 수 있는 새로운 데이터를 제공할 계획입니다.

"만약 우리가 수백만 개의 퀘이사를 볼 수 있다면, 아마도 그 거대한 데이터 세트에 묻혀 있는 신호를 찾을 수 있을 것입니다."라고 그는 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250512105212.htm