🚨사이렌이 울렸는데 왜 아무도 안 뛰어나오지: 중력파 검출로 재는 우주 팽창 속도(표준 사이렌)

📑 목차

• 🚨 "사이렌"이라며, 근데 왜 소방차 얘기가 아니야
• 🔭 2017년 8월 17일, 이론이 관측이 된 날
• ⏳ 그 뒤로 9년, 왜 두 번째 사례가 안 뜨나 싶었는데
• ⚖️ 이게 왜 허블 상수 논쟁에 끼어드는지
• 💭 개인적으로 계속 눈이 가는 이유

🚨 "사이렌"이라며, 근데 왜 소방차 얘기가 아니야

몇 년 전 처음 이 단어를 들었을 때 진짜로 헷갈렸다. "중력파 검출 사이렌 표준(standard siren)". 중력파 기사에 이 표현이 나오길래 나는 당연히 무슨 경보음 얘기인 줄 알았다. 알고 보니 완전히 다른 얘기였고, 이해하고 나니 왜 천문학자들이 이 비유를 골랐는지 납득이 갔다. 소방차 사이렌은 멀리서 들으면 소리가 작다. 소리 크기만 알면 거리를 대충 짐작할 수 있다는 뜻이다. 중력파도 똑같다. 신호의 세기(진폭)를 알면, 그 파동이 얼마나 먼 곳에서 왔는지 계산할 수 있다. 광원 없이 소리(파동)만으로 거리를 재는 이 아이디어를, 물리학자 버나드 슈츠가 1986년 네이처에 낸 논문에서 처음 제안했다(Schutz, "Determining the Hubble Constant from Gravitational Wave Observations", Nature 323, 1986). 그때는 순전히 이론이었다. 검출 장비 자체가 없었으니까.

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🔭 2017년 8월 17일, 이론이 관측이 된 날

이 발상이 실제로 작동한 첫 사례가 GW170817이다. 두 중성자별이 충돌하면서 낸 중력파를 LIGO와 Virgo가 잡았고, 1.7초 뒤 감마선 폭발(GRB 170817A)이 뒤따라 관측됐다. 광학 후속 관측팀들이 이 신호의 근원지를 추적해 NGC 4993이라는 은하로 좁혔다. 여기서 재밌는 건, 중력파 신호의 진폭만으로 "이 사건이 지구에서 얼마나 먼 곳에서 일어났는가"를 구할 수 있다는 점이다. 빛의 적색편이(스펙트럼이 얼마나 늘어졌는지)로 은하가 얼마나 빠르게 멀어지는지 따로 알아냈으니, 거리와 후퇴 속도를 둘 다 손에 쥔 셈이다. 이 둘을 나누면 허블 상수가 나온다. LIGO·Virgo 공동 연구팀이 그해 낸 논문(Abbott et al., Nature 551, 2017)에서 내놓은 값은 시속 70km/s/Mpc 안팎이었는데, 오차 범위가 위아래로 8~12나 될 만큼 컸다. 딱 한 건의 관측이었으니 당연한 일이다.

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⏳ 그 뒤로 9년, 왜 두 번째 사례가 안 뜨나 싶었는데

나는 한동안 "그래서 두 번째 GW170817은 언제 나오나" 하고 은근히 기다렸다. 그런데 찾아볼수록 상황이 생각보다 복잡했다. 중성자별 합병은 자주 일어나는 사건이 아니고, 게다가 감마선 폭발까지 지구 쪽을 보고 터져줘야 이런 식의 정밀 측정이 가능하다. 그래서 관측팀들은 다른 우회로를 팠다. 바로 '다크 사이렌(dark siren)' 방법이다. 빛 신호(전자기파 대응체)가 안 잡히는 블랙홀 합병 같은 사건이라도, 신호가 온 하늘 영역 안에 있는 은하들을 목록(GLADE 은하 카탈로그 등)에서 죄다 후보로 놓고 통계적으로 확률을 계산하는 식이다. 한 건 한 건은 부정확하지만, 사건 수가 쌓이면 오차가 줄어든다. LIGO·Virgo·KAGRA 공동 연구팀이 3차 관측런(O3)까지의 데이터를 모아 낸 2023년 논문("Constraints on the Cosmic Expansion History from GWTC-3", ApJ 949, 2023)이 이 방식을 대규모로 적용한 사례다. 2023년부터 시작된 4차 관측런(O4)에서는 검출 감도가 올라가면서 후보 신호 수 자체가 예전보다 훨씬 늘었고, 이 누적 통계가 다크 사이렌 방법의 정밀도를 계속 갉아 깎아내리는(오차를 줄이는) 중이다.

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⚖️ 이게 왜 허블 상수 논쟁에 끼어드는지

사실 허블 상수는 이미 두 방법이 서로 다른 답을 내놓고 있어서 골치 아픈 주제다. 초기 우주의 흔적인 우주 배경복사를 분석하는 플랑크 위성 데이터는 67 근처를, 가까운 우주의 세페이드 변광성·초신성을 이용한 측정은 73 근처를 가리킨다. 두 값이 안 겹치니 이게 '허블 텐션'이라 불리는 논쟁거리다. 중력파 사이렌은 이 둘과 완전히 독립적인 세 번째 잣대다. 은하의 밝기나 거리 사다리를 전혀 안 쓰고, 오직 파동의 물리량만으로 거리를 구하기 때문에 앞선 두 방법이 갖고 있을지 모르는 계통 오차에서 자유롭다. 지금 나온 사이렌 측정값은 아직 두 값 사이 어딘가에 걸쳐 있을 정도로 오차가 크지만, 신호가 쌓일수록 이 오차 막대가 점점 좁아져서 언젠가 둘 중 어느 쪽 손을 들어줄지, 혹은 셋 다 틀렸다고 말할지 결정할 근거가 될 거다.

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💭 개인적으로 계속 눈이 가는 이유

나는 이 방법이 마음에 드는 이유가 단순하다. 우주의 거리를 재는 데 빛이 필요 없다는 발상 자체가 신기해서다. 별빛도, 스펙트럼도 없이 그냥 시공간이 흔들린 파형 하나로 "여기서 몇 억 광년 떨어졌다"고 말할 수 있다는 게, 처음 들었을 때의 그 낯섦이 아직도 안 가신다. O4 관측런이 끝나고 다음 O5, 그리고 2030년대 예정된 우주 기반 검출기 LISA까지 이어지면 이 셋째 잣대가 얼마나 날카로워질지, 그게 나는 제일 궁금하다.