중력파, 아인슈타인의 마지막 선물 (중력파를 찾는 LIGO와 인류의 아름다운 도전과 열정의 기록)

오정근

저자오정근은1972년서울에서태어났다.어린시절부터밤마다마당이나뒷산에올라육안으로별과성단등을찾고관찰하곤했다.개기월식을밤새직접손으로스케치하며그일지를시간에따라손수기록하는등별을관측하는흥미로천문학에대한꿈을꾸었고,이천체를지배하는이론에대한호기심에매료되었다.물리학과에입학하여천체물리학과일반상대성이론에흥미를가졌으며,2004년서강대학교물리학과에서일반상대성이론과블랙홀이론으로박사학위를받았다.이화여자대학교기초과학연구소,캐나다워털루대학교물리천문학과,연세대학교물리학과연구원을거쳐현재국가수리과학연구소에서중력파검출실험의데이터분석연구를수행하고있다.한국중력파연구협력단(KGWG,KoreanGravitational-WaveGroup)의총무간사를맡고있으며라이고과학협력단(LSC,LIGOScientificCollaboration)과카그라협력단(KAGRACollaboration)의중력파검출국제연구단에참여하고있다.
현재까지블랙홀과중력파검출실험분야에약60여편이상의논문을국제학술지에출간했다.결국어린시절의꿈이었던새로운천문학의가능성을여는일에종사하고있다.
(http://www.kgwg.org/)

이책에쏟아진찬사들
머리말
프롤로그

제1장시공간의물결
1.중력,뉴턴과아인슈타인
2.일반상대성이론의영광의순간들
3.중력파의존재와일반상대성이론
4.중력파란무엇인가?
5.발견,그리고존재의확인
6.중력파는어디에서오는가?

제2장중력파,마지막유산을찾아서
1.역사의시작:웨버검출기
2.선구자적인실험과발견
3.비판,논란,그리고제국의몰락
4.치유와기회:차세대아이스바
5.초신성
6.몰락한제국의유산
7.수많은도전들

제3장레이저전쟁
1.새로운시작의준비:바를넘어서
2.준비된기술과야심찬도전
3.비판을넘어서
4.건설,과학을위한비과학

제4장끝나지않은도전,라이고
1.레이저간섭계라면가능할까?
2.건초더미에서바늘찾기
3.10년,그리고조금만더
4.전지구적네트워크가필요하다
5.두번의흥분
6.자,이제준비가되었다

제5장아인슈타인의마지막선물
1.매우흥미로운이벤트
2.발견의공식선언
3.과연진짜중력파인가?
4.100주년이벤트와제1관측가동
5.마지막선물,새로운시작

제6장새로운천문학의시대
1.역사의교훈
2.새로운천문학과물리학의시작
3.차세대중력파천문대로
4.한국의중력파연구

에필로그
주
부록
찾아보기

“Wedidit!”“당신이옳았어요,아인슈타인”

아인슈타인100년의숙제가마침내풀리다!

중력파에관해가장알기쉽게쓴과학교양서이자
중력파를찾는인류의눈물겨운탐험과정을담아낸최초의기록

6500만광년떨어진처녀자리성단에사는
한외계인의머리칼이흔들리는모습을지구에서감지하다
―중력파와라이고(LIGO)는무엇?
잔잔한물위에돌을던지면물결이사방으로퍼져나간다.이처럼중력파(重力波,gravitationalwaves)는우주에서별이폭발하는등의커다란사건에의해생겨나사방으로퍼져나가는시공간의잔물결과같다.단,우주전역으로퍼져나가지만너무미약하기때문에그것을알아내는것은매우어렵다.실제중력파는시공간이급격하게변하는에너지가파동의형태로전파되며그세기는10-21정도인데,이크기는태양이원자크기만큼진동한정도보다도작다.따라서그신호를검출하기위해서는빅뱅이후우주의급팽창이나별들의충돌이나폭발과같은천문학적인현상을통해서만가능할것으로생각되었다.
이를검출하고자1960년대이후부터전세계적인실험과관측이시작되었고,미국에서는2000년대부터중력파검출을위한라이고(LIGO,LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory:레이저간섭계중력파관측소)를건설했다.결국아인슈타인의일반상대성이론100주년인2015년9월14일에검출에성공했고,여러단계의검증을거쳐2016년2월11일전세계에발표되었다.13억년전,우주에서2개의블랙홀이던졌던물결이21세기인류에게새로운우주를열어보여준것이다.

“Wedidit!”“당신이옳았어요,아인슈타인”
중력파,인류에게새로운우주의시대를열다
―중력파의발견/검출이가지는의의
2016년2월11일(한국시간2월12일0시30분),아인슈타인이일반상대성이론을발표한직후그존재가이론적으로예견되었던중력파의직접검출에100년만에성공했음이전세계에알려졌다.이중력파의발견은인류의집단지성이이루어낸역사적쾌거이다.100년전현대과학의패러다임을바꾸었던아인슈타인이라는한천재에의해예견된마지막수수께끼를풀기위해인류가던진도전장은마침내55년만에그결실을맺게되었다.하나의풀리지않는과학적사실을발견하기위해미국이1조원가까이투자한것을일반인의상식으로는이해할수없을것이다.그러나선진국들이앞다투어기초과학에대한투자를아끼지않는것은과거로부터현재까지몸소체험했던역사적교훈과믿음때문일것이다.
중력파는아인슈타인이예언했던과학적사실을발견하고입증했다는그사실하나만을의미하지는않는다.이발견은이후미래에도래하게될새로운시대의서막을예고한다.전자기력이라는힘을이해함으로써오늘날의무선통신문명을열었듯이앞으로어떤식으로중력파를응용한문명이펼쳐질지는감히예측할수없다.다만이발견이가까운미래에열게될중요성은,이제우리는우주를이해하는데한걸음더다가설수있게되었다는것이다.마치갈릴레이가광학망원경을발명함으로써육안으로관측해오던우주를좀더자세히들여다보게되었듯이,헤르츠의전자기파의발견으로발명된전파망원경을통해우리우주의새롭고다양한모습들을바라봄으로써우주를좀더이해할수있게되었듯이,이제인류는중력파라는새로운관측수단을이용해서우주가연주하는멋들어진교향악을감상할수있게된것이다..

중력파에관해가장알기쉽게쓴과학교양서이자
중력파를찾는인류의눈물겨운탐험과정을담아낸최초의기록
『중력파,아인슈타인의마지막선물』은라이고과학협력단에참여하며중력파검출실험을성공적으로이끄는데기여했던현장의과학자가지난55년간의중력파검출의역사와함께오늘날그과학적성공을이루어낸눈물겨운과정을생생하게담아낸중력파검출실험의역사서이다.저자오정근박사는그고단하고지루한도전의시기동안시대를풍미했던선구자들의눈물겨운이야기들을책에담아냈다.
아울러저자가“사초(史草)를작성하는사관(史官)과같은마음”이라고말했듯이,이책은중력파검출발표전후몇주간동안전세계를뜨겁게달구었던역사적발견의뒷이야기들을시간에따라생생하게담아낸세계에서하나밖에없는기록이다.향후100년간회자될위대한발견의기록을아인슈타인의일반상대성이론100주년의해에독자들과나눌수있는것은현시대를살고있는우리에게큰행운일것이다.

왜기초과학에대한관심과아낌없는투자가필요할까?
과학자들의노력과실패,그리고끊임없는도전
―책의집필의도
1927년벨기에브뤼셀에서기괴한토론의향연이벌어졌다.그것은마치조선시대성리학자들이논하는‘이기론(理氣論)’의논쟁과같은것이었다.이른바‘솔베이회의’로불리는이모임에서당대의물리학자들은당시구축되어가고있었던양자역학의해석을위하여끝없는논쟁과토론을반복했다.
일반인들에게는이논쟁이자신들의생활에전혀도움을주지않는것처럼보였을것이다.그러나이러한논쟁이결국은양자역학의기초를확립하고현대문명의초석이되었음을피부로느끼게해준사건중하나일것이다.이것은비단양자역학만이아닌현대과학이시대를앞서서당대현실생활과는동떨어진사실에천착하고있더라도가까운미래에우리에게공학과기술문명이라는이름으로돌아올것이라는교훈이자리잡고있는것이다.현대과학,특히기초과학을떠받치고있는큰버팀목이바로이것이다.
현대과학은점차로거대화되고있고대규모로집단화되어가고있다.그에따라시설에대한투자금액역시천문학적인규모가되고있다.이런과학연구형태의특징은이전에개인적인실험실수준에서이루어지던것과다르게특별한모습으로구현되고있으나,아직우리에게는낯설다.불과15쪽의논문에저자와소속기관만5쪽을할애하고있으니말이다.이책은그낯선현대과학의일면에대해소개하고있다.과연그렇게큰과학자들의집단이어떻게실험과토론을통해발견의목적을이루려고노력하며,어떤과정으로의사결정이이루어지는지를생생하게전달한다.
또한이책에서는아인슈타인의이론을검증하기위하여일련의과학자들이어떤노력과실패를했으며,최종적인성공에도달하기까지100년간의눈물겨운도전을구체적인사건의일화와반전을가미하여소개하고있다.아주극적으로그성공스토리가생생하게책의지면을통해독자들에게전달될것이다.

책의주요내용
제1장중력을기술하는뉴턴의이론과아인슈타인의일반상대성이론에대한소개와간략한고찰을역사적사건을중심으로기술했다.그리고일반상대성이론이예측한중력파의본질과실험적으로검출할수있는가능성에대해소개했다.
제2장중력파검출실험을최초로시작한조지프웨버의선구자적인노력과이와관련된역사적사건들과함께,웨버의‘바검출기’로부터중력파의검출기가어떻게발전되어왔는지를이야기했다.
제3장조지프웨버이후의중력파검출기의새로운대안이자현재가장가능성있는대형프로젝트인‘레이저간섭계’중력파검출기인‘라이고(LIGO,LaserInterferometerGravitational-waveObservatory)’가추진되어온역사에대해소개했다.
제4장레이저간섭계가어떻게중력파의직접검출에가장가능성이있는프로젝트로부상했는지에대해설명했다.그리고본격적으로라이고가가동되고10여년이지난지금까지의중력파검출실험에대한현황에대해소개했다.
제5장어드밴스드라이고의관측시작과함께중력파신호를발견하면서과학자들이수행했던노력의과정에대해전달하고자했다.특히,라이고과학협력단이중력파신호를포착하고중력파신호임을확증하기위해어떠한노력들을수행했고,어떻게최종결론에도달하게되었는지를시간순서로구성했다.중력파발견의과정들이가장생생하게담겨있다.
제6장물리학과천문학적인관점에서중력파의성공적인검출이가져다주게될혜택과그파급효과,그리고과학적가능성에대해전망했다.아울러현재지구상에서진행되고있거나계획되고있는차세대중력파검출기프로젝트와그현황,한국에서의중력파검출연구의현황도소개했다.

책속으로추가

협정세계시간으로2016년1월6일오전1시30분경북한의핵실험으로추정되는규모5.1의인공지진이미국지질조사국USGS과유럽지중해지진센터EMSC에감지되었다.이날은필자가리빙스턴검출기의데이터품질교대근무DataQualityShift를수행하고있는중이었다.뉴스를접한필자는바로리빙스턴검출기의중력파채널과지진을감지하는지진계채널을확인했다.
북한에서발생한인공지진진동이리빙스턴에도달하는시간은약50여분뒤인새벽2시20분이었다.그러나리빙스턴검출기는2시경부터정비를목적으로다운상태에들어갔고,이와독립적으로가동중인지진계에는어떠한이상신호도검출되지않았다.마찬가지로핸퍼드검출기역시정비보수를목적으로다운상태였기에이북핵실험의지진진동은어떠한중력파채널에서도감지되지못했다.통상인도네시아,대만등아시아권에서발생한이정도규모의지진은1만킬로미터이상떨어진중력파채널에항상영향을주었던경험에비추어볼때,만약정상적인가동이었다면분명히중력파검출기는영향을받았을것이다.이사건으로당시미국플로리다에서열리고있었던미국천문학회에설치된어드밴스드라이고전시관에서는라이고검출기가북한의이핵실험신호를포착했는지를묻는사람들이매우많았다고한다.
제5장아인슈타인의마지막선물/212쪽