중력파와 우주론: 표준 사이렌을 이용한 거리 측정 (중력파 천문학, 표준 사이렌, 허블 상수)

중력파는 두 개의 질량체가 가속 운동할 때 시공간에 생기는 물리적 파동으로, 2015년 LIGO를 통해 첫 관측된 이래 우주를 보는 전혀 새로운 방식의 문이 열렸다. 특히 ‘표준 사이렌(Standard Sirens)’이라 불리는 중력파 사건은, 거리 사다리를 사용하지 않고 우주 거리를 직접 측정할 수 있는 획기적인 방법으로 주목받고 있다. 본 글에서는 중력파의 원리, 표준 사이렌 개념, 그리고 이를 활용한 우주론적 거리 측정 및 허블 상수 결정의 최신 연구를 소개한다.

중력파란 무엇인가: 우주를 흔드는 파동

중력파(Gravitational Waves)는 아인슈타인의 일반상대성이론에서 유도된 현상으로, 질량을 가진 두 천체가 가속 운동할 때 시공간의 왜곡이 파동처럼 퍼져나가는 것이다. 이 파동은 극히 미약하지만, 두 블랙홀이나 중성자별이 서로 병합하는 사건처럼 강력한 중력계에서 생성될 경우, 수십억 광년 떨어진 곳에서도 감지 가능하다.

중력파의 주요 특성은 다음과 같다:

• 시공간의 실질적 왜곡: 길이, 시간에 직접 영향
• 광학 관측과 독립적인 정보원: 물질이 아닌 시공간 자체의 진동
• 광파와 달리 차폐되지 않음: 먼지, 가스 등으로 인한 흡수가 없음

대표적인 중력파 검출기인 LIGO와 VIRGO, 그리고 일본의 KAGRA는 레이저 간섭계를 활용해 중력파 신호를 탐지하고 있으며, 초당 수십 Hz~수 kHz 대역에서 오는 신호에 민감하다.

표준 사이렌의 개념과 허블 상수 측정

우주론에서는 오래전부터 ‘표준 촉광(Standard Candles)’을 이용해 거리 측정을 해왔다. 대표적인 예가 1a형 초신성이다. 그러나 이 방식은 거리 사다리 방법에 의존하며, 여러 중간 단계의 보정이 필요해 오차가 누적되는 단점이 있다.

표준 사이렌(Standard Sirens)은 중력파 신호만으로 광도 거리(luminosity distance)를 직접 계산할 수 있는 객체를 의미한다.

그 원리는 다음과 같다:

1. 중력파 신호 분석: 진폭 → 질량, 거리, 궤도 기울기 → D_L 산출
2. 광학 counterpart 관측: 적색편이 z 측정 가능 (선택적)
3. D_L–z 관계 분석: 허블 법칙으로 H₀ 추정 가능

대표적인 사례는 2017년 GW170817 사건이다. 두 중성자별의 병합에서 나온 중력파와, 거의 동시에 감지된 감마선 폭발(GRB170817A), 이후의 광학 후속 관측까지 이루어져 역사상 처음으로 중력파 기반 거리 측정이 실현되었다.

표준 사이렌의 우주론적 활용과 미래 전망

표준 사이렌은 기존 거리 사다리 방식과는 전혀 다른 물리적 기반을 갖고 있기 때문에, 허블 텐션 문제를 해결할 독립적인 수단으로 주목받고 있다.

1. 허블 상수 오차 감소

GW170817은 단일 사건에 불과하지만, 향후 수십~수백 개의 유사 사건이 축적되면, H₀의 통계 오차를 1% 이내로 줄일 수 있다는 연구 결과가 있다.

2. 다중 파장/다중 메신저 관측의 필수성

모든 중력파 사건이 광학 counterpart를 가지는 것은 아니다. 따라서 중성자별 병합처럼 광학 정보가 풍부한 사건이 핵심이 되며, 이는 향후 LSST, Roman Space Telescope, SKA 등의 연계 관측과 통합될 전망이다.

3. 우주 팽창률의 시변성 검출

다양한 z 영역에서 표준 사이렌이 확보되면, H(z)의 시간에 따른 변화를 추적할 수 있으며, 이는 암흑 에너지의 진화나 우주론 모델의 수정 가능성까지도 제시할 수 있다.

4. 바이너리 블랙홀 병합의 우주론적 활용

광학 counterpart가 없더라도, 통계적 방식으로 은하 카탈로그와 연계 분석을 통해 거리와 z를 추정하는 방법도 제안되고 있다.

앞으로 LISA(우주 기반 레이저 간섭계)와 Einstein Telescope, Cosmic Explorer와 같은 차세대 검출기의 도입으로, 더욱 높은 정밀도의 표준 사이렌 측정이 가능해질 것으로 기대된다.

결론

중력파는 우주를 ‘진동’으로 측정하는 새로운 관측 도구다. 특히 표준 사이렌은 중력파 신호만으로 우주 거리와 허블 상수를 추정할 수 있는 혁신적인 방법이며, 기존 거리 사다리 방식의 한계를 보완하는 역할을 한다. GW170817 이후 시작된 이 새로운 거리 측정 시대는, 향후 수백 개의 표준 사이렌 데이터를 통해 우주의 팽창과 암흑 에너지의 정체를 밝히는 데 기여할 것이다.