한국천문연구원은 국내 연구진과 미국 항공우주국(NASA) 등 국제공동연구팀이 중력파와 전자기파 관측을 동시 수행해 중성자별의 충돌로 일어나는 일련의 물리적 과정을 규명했다고 밝혔다. 광학관측을 주도한 서울대 임명신 교수는 “중력파와 광학관측의 협동연구를 통해 중력파 신호가 정확히 어떤 천체에 기인하는지를 최초로 밝혀낸 역사적인 사건”이라고 말했다.

라이고(LIGO)·비르고(VIRGO) 중력파 관측단 등을 포함한 국제공동연구팀은 최근 이런 내용을 포함한 연구 결과를 전 세계 언론에 공개했다.

이번 발견은 중성자별 충돌의 증거로 예측돼 온 ‘킬로노바’(kilonova)라는 현상을 처음으로 명확히 관측한 사례다.

킬로노바는 중성자별 두 개가 서로의 주변을 돌다가 충돌하면서 합쳐져 블랙홀이 되는 전후에 발생하는 현상이다. 이 과정에서 중성자가 마구 튀어나오면서 무거운 원소들이 만들어진다. 이 중 상당수가 방사성 붕괴를 하면서 눈으로 볼 수 있는 빛을 포함한 다양한 전자기파가 나온다.

우주에 있는 금(金)·백금·납·우라늄 등 무거운 원소들 대부분이 이런 과정을 거쳐 생성되는 것으로 알려졌다.

연구팀에 따르면 지난 8월 17일 오후 9시41분께 라이고·비르고 관측단이 중성자별 충돌에 따른 중력파 현상(GW170817)을 미국 2곳과 이탈리아 1곳에 있는 중력파 관측시설로 관찰했다.

중력파가 종료된지 2초 후부터는 미국 항공우주국(NASA)의 페르미 감마선 전파망원경과 유럽우주관측소(ESO)의 인테그랄 감마선 전파망원경이 약 2초간의 짧고 약한 감마선 폭발 현상을 포착했다.

이어 약 11시간 후에는 약 1억3000만 광년 떨어진 은하 ‘NGC 4993’에서 이 중력파 현상에 대응하는 천체가 가시광선으로 관찰됐다.

중력파가 관측된 지 약 21시간 후부터 초기우주천체연구단 단장인 임명신 서울대 물리천문학부 교수가 이끄는 광학 연구진은 GW170817에 대한 추적 관측을 했다.

여기에는 한국천문연구원이 호주·남아프리카공화국·칠레에서 운영하는 KMT넷 망원경과 서울대가 호주에서 운영하는 이상각 망원경 등이 쓰였다. 이런 추적조사를 통해 국내 연구진은 별의 광도 곡선과 색깔 변화 등이 킬로노바 현상의 이론적 예측과 일치함을 밝혔다.

국제공동연구진은 그 후 미국항공우주국(NASA)의 ‘찬드라 X선 우주망원경’을 이용한 X선 관측의 결과와 한국 연구진이 주도한 가시광선 영역 관측, 라이고·비르고 연구단의 중력파 관측을 종합해 이번 중성자별 충돌의 전모를 밝혀냈다.

연구 결과 이번 현상은 질량이 각각 태양의 1.36∼1.60배, 1.17∼1.36배로 추정되는 중성자별 두 개가 충돌하면서 발생했다.

이번 연구에는 국내 연구진 38명을 포함해 45개국 총 3500여 명의 과학자가 참여했다. 연구 결과는 네이처 16일자와 천문학 및 물리학 분야 최상위급 저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)와 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)에 게재된다.

/전은재기자 ej6621@kwangju.co.kr