이창환 부산대 물리학과 교수는 한국 중성자별 연구의 선두주자다. 지난 4월 9일 부산대 제1물리관 4층 연구실에서 만난 이 교수는 박사논문(서울대)을 중성자별로 썼고, 지금도 중성자별의 내부 구조를 알아내기 위해 이런저런 궁리를 하고 있다. 어떤 물리학자는 그를 ‘블랙홀 연구자’라고 했는데 이 교수는 이에 대해 이렇게 설명했다. “나는 중성자별 연구자다. 중성자별 연구에는 중성자별이 언제 블랙홀이 되는지 그 조건을 알아내는 게 큰 주제다. 그런 이야기를 듣고 나를 블랙홀 연구자라고 생각했던 것 같다.” 또 다른 물리학자는 이 교수에 관해 “감마선 폭발을 연구하는 이론물리학자”라고 내게 말해줬다. 이창환 교수는 “중성자별과 중성자별이 충돌할 때, 또는 블랙홀 쌍성계 형성 과정에서 감마선 분출이 있을 수 있다. 그래서 감마선 폭발도 연구했다”라고 설명했다.

태양보다 무거우면서 작은 신기한 별

중성자별은 중성자로 대부분 만들어진 천체다. 중성자가 별 중심에서부터 밖으로 끝없이 쌓여 있다. 중성자와 물리적 성질은 똑같으나, 플러스 전기를 띠고 있는 입자가 양성자다. 중성자와 양성자는 통상 원자핵 안에 들어 있고, 이 원자핵 주변을 전자가 돌고 있으면 원자가 된다. 그런데 중성자 별에 가면 양성자를 볼 수 없다.(물론 내부에 양성자, 전자 및 케이온, 그리고 자유롭게 돌아다니는 쿼크(free quark)가 있을 수 있다.) 무슨 일이 있었길래 이렇게 기이한 천체가 우주에 있단 말인가?

“중성자별의 질량은 태양의 2~2.5배 정도 된다. 크기는 반지름이 15㎞ 안팎이다. 태양은 반경이 약 70만㎞이다. 태양보다 질량이 무거운데 크기는 비교할 수 없이 작다. 물질을 엄청나게 압축해놓은 게 중성자별이라고 보면 된다. 부산 시내 전체 건물을 각설탕 크기 하나에 집어넣은 게 중성자별이다.”

이 교수가 설명한 ‘극강의 압축술’에서 중성자별의 특징이 드러난다. 중성자별은 물질이 상상할 수 없을 정도의 강한 중력에 눌려 원자핵이 으깨져 만들어진다. 압력이 강하면 전자가 핵 주변을 회전하지 못하고 핵 가까이 밀려온다. 이런 현상을 전자 축퇴라고 한다. 백색왜성이라는 별은 전자 축퇴가 일어난 별이다. 태양도 오랜 시간이 지나면 이런 모습이 된다고 한다. 그런데 전자 축퇴 현상이 일어나는 것보다 더 강한 압력이 원자핵을 압박하는 일도 있다. 이 경우에는 전자가 핵 주변에 있지도 못하고, 핵 안으로 밀려 들어온다. 핵 안에 있는 양성자와 만나게 된다. 양성자와 전자가 만나 중성자를 만들고, 중성미자라는 입자를 내보낸다. 이런 일이 일어난 결과물이 중성자별이다.

원자의 대부분을 차지하는 건 전자가 있는 핵의 외곽이다. 서울 여의도 크기를 원자라고 하면 원자핵의 크기는 야구공 크기다. 그런데 전자가 외압에 밀려 최종적으로 핵 안으로 밀려 들어오면 원자 전체가 차지하던 공간이 원자핵만 한 공간으로 줄어든다. 1000분의 1 크기, 1만분의 1 크기로 작아진다. 이 교수가 부산의 모든 건물을 압축해서 각설탕 하나 안에 집어넣을 수 있다는 말이 바로 이런 맥락에서 한 것이다.

중성자별은 초당 1000번 회전하는 경우도 있다. 무거운 별이 폭발하면서 별의 외곽은 떨어져나가고 단단한 중심부만 남은 게 중성자별이다. 이 중성자별이 원래 몸집이 컸던 별이 갖고 있던 회전운동량(각운동량) 전부를 갖게 되면서 회전속도가 상상할 수 없을 정도로 빨라진다.

이 교수가 중성자별을 연구한 건 프랑스 최대 국립핵물리연구기관인 사클리연구소에서 일하던 노만규 박사가 계기가 됐다. 노만규 박사는 2002년 호암상을 받은 바 있는 핵물리학계의 석학. 이창환 교수가 서울대 물리학과 민동필 교수 밑에서 배울 때 서울에 와서 1년간 머무른 적이 있다. “노만규 교수님과 같이 연구했다. 노 교수님이 입자 하나보다는 여러 개 입자가 뭉친 것도 재밌다, 그런 건 중성자별 안에 제일 많다면서 중성자별을 연구해보는 게 어떠냐고 하셨다. 그렇게 해서 입자물리학으로 출발했던 내 연구가 천체물리학으로 확장됐다.”

박사논문은 중성자별이 블랙홀로 바뀌는 정확한 경계질량을 알아내는 것으로 썼다. 중성자별 안에 케이온이라는 입자가 얼마나 있고, 그게 중성자별 구조에 어떻게 영향을 미치는가 하는 중성자별의 반경과, 블랙홀로 넘어가는 경계질량 예측을 했다.

전설적 핵물리학자 한스 베테와의 인연

1995년에 박사학위를 받은 뒤 미국 동부 뉴욕의 롱아일랜드 스토니브룩으로 갔다. 노만규 교수가 뉴욕주립대 물리학과 교수 제럴드 브라운 교수에게 그를 소개해줬다. 그는 “지원서 한 장 쓰지 않고 뉴욕으로 갔다”고 했다. 노만규 교수와의 인연이 그의 연구 생활에 크게 작용했다는 것이다. 이 교수는 브라운 교수의 요구에 따라 4년 반을 스토니브룩에서 연구했다.

스토니브룩에서 이창환 교수는 연구 주제를 확장한다. 중성자별, 블랙홀 쌍성계를 연구했다. “제리(제럴드의 애칭)가 지금까지는 중성자별 내부를 봤으니, 이제 중성자별 외부를 보면 어떻겠느냐고 했다.” 두 개의 별이 서로를 도는 게 쌍성계다. 이 교수는 쌍성계의 두 별은 어떻게 진화하는지를 연구했다. 중성자별은 혼자만 있으면 계속 중성자별로 남아 있다. 하지만 다른 별과 쌍성계를 이루고 있으면 다른 별에서 중성자별로 그 별의 물질이 넘어올 수 있다. 이 결과 중성자별의 질량이 늘어난다. 중성자별은 무거워지면 블랙홀이 된다.

이 교수에 따르면, 일반 별에서 블랙홀로 물질이 넘어올 때 X선이 나온다. X선을 분출하는 블랙홀 쌍성계는 지구상에서 관측된다. 이 교수는 “20년 전에 내가 논문을 쓸 때는 X선을 내보내는 블랙홀 쌍성계 중 질량이 확인된 것이 우리은하에 12개였다. 관측하지 못했지만 이런 블랙홀 쌍성계가 우리은하에만 수천, 수만 개가 있을 것이다”라고 말했다. 이 교수는 당시 우리은하의 블랙홀 쌍성계 12개를 분석, 블랙홀 공전주기와 블랙홀 질량의 상관관계를 연구했다. 그때까지 다른 연구자는 한 개의 블랙홀 쌍성계를 연구했다면, 이창환 교수는 우리은하에서 발견된 블랙홀 쌍성계 모두를 놓고 블랙홀 쌍성계 진화의 큰 흐름을 보려 했다. 블랙홀이 왜 이런 질량 분포를 보이는지 등을 이론적으로 설명했다. 이 교수는 “제리가 있었기 때문에 내가 거기까지 갈 수 있었다”고 말했다.

제럴드 브라운은 특히 초신성 연구로 알려져 있고, 이 연구는 전설적 핵물리학자인 한스 베테와 같이 했다. 베테는 태양에서 핵융합 반응이 정확히 어떤 과정으로 일어나는지를 규명, 노벨물리학상(1967)을 받은 바 있다. 베테가 당시 쓴 핵융합 반응 관련 논문 3개는 ‘베테의 경전’이라고 불렸다. 베테(1906~2005)는 제럴드 브라운(1926~2013)보다 한 세대 윗사람이다. 베테는 당시 90대의 고령인데도 후학인 브라운과 초신성에 관해 공동연구를 했다. 태양 핵융합 반응을 규명한 이후, 천체물리학으로 관심 분야를 넓혔다. 두 사람은 초신성 폭발 때 중성미자가 엄청나게 나온다는 걸 이론적으로 밝혔다. 이들의 연구는 1987년 일본 가미오칸데가 초신성 중성미자를 관측하면서 맞는 것으로 확인됐다. 입자 개수와 에너지 양이 베테와 브라운의 연구와 일치했다.

베테는 전설적인 과학자라, 나는 그에 대해 더 얘기를 듣고 싶었다. 베테는 뉴욕주 이타카에 있는 코넬대학에서 일했고, 제럴드 브라운은 뉴욕주 롱아일랜드 소재 스토니브룩에 있는 뉴욕주립대에서 근무했다. 서로 떨어져 있었지만 메모 편지를 주고받으며 공동 연구를 했다. 팩스가 교신 수단이었다. 이 교수가 어느 날 베테가 보내온 팩스를 보니, 용지에 ‘5024’쪽이라고 써 있었다. 두 사람이 주고받은 연구 노트가 산더미만 한 분량이 되어 있었던 것이다. 이 교수의 말이다. “베테가 쓴 수식을 보았다. 영감이 매우 뛰어난 인물이었다. 한번은 이런 일도 있었다. 베테가 미국 국립로스알라모스연구소의 한 별 폭발 계산결과 데이터를 쓱 보더니 ‘계산이 틀렸다’고 지적했다. ‘엔트로피가 너무 작다. 이러면 중심부가 붕괴하여 중성자별이나 블랙홀로 간다.’ 이 지적을 받은 로스알라모스연구소 연구자가 1년이 걸려서야, 계산이 어디가 틀렸는지 알아낼 수 있었다고 한다.”

독일령 스트라스부르 출생인 베테는 고령에도 아침부터 스테이크를 즐겼다고 한다. 제럴드 브라운 교수와 이창환 교수는 2006년 한스 베테 추모문집을 발간했다. 이 교수는 연구실 책장에서 검은색의 추모문집을 꺼내 보여줬다. 겉면에는 공동편집인으로 이 교수의 이름이 나와 있었다.

2017년 중성자별 충돌에서 중력파 검출

이창환 교수는 스토니브룩 시절, 추운 겨울이면 따뜻한 캘리포니아로 떠나는 지도교수를 따라 캘리포니아공과대학(약칭 ‘칼텍’)에 가서 한 달을 머물렀다. 칼텍의 킵 손 교수가 매년 겨울 공동연구를 위해 제럴드 브라운 교수를 초청했다. 킵 손은 한스 베테도 LA로 초청했다. 베테는 고령으로 건강이 안 좋아, 그 시절 칼텍에는 한 번밖에 오지 않았다. 킵 손은 중력파 검출기 LIGO 개발과, 그 LIGO가 인류 역사상 최초로 중력파를 검출한 공로를 인정받아 나중에 노벨물리학상(2017)을 받게 된다. 킵 손은 1990년대 초반 제럴드 브라운과 한스 베테를 칼텍에서 만나 이렇게 제안했다. “중력파의 출처 중 하나가 중성자별과 중성자별의 충돌인 듯하다. 우주에 중성자별이 얼마나 많이 있는지 연구해줄 수 있겠느냐?”

이창환 박사후연구원은 4년 반의 스토니브룩 생활을 마치고 2000년 한국에 돌아왔다. 그리고 2003년 부산대 교수로 일하게 되었다. 돌아온 뒤에도 이 교수는 매년 방학 때면 스토니브룩에 가서 은사를 만났고, 이곳에 있는 물리학자와 공동연구를 했다.

그는 킵 손을 만난 게 계기가 되어 중력파 연구에 대해 관심을 갖게 됐다. 때문에 한국에 2009년 중력파연구단이 생겼을 때 즉시 그룹에 가입했다. 중력파 연구를 통해 중성자별 내부 구조를 이해할 수 있다는 생각을 했다. 이 교수는 자신이 부산대 교수가 된 뒤의 연구를 ‘중력파 소스(source)’ 연구라고 표현했다. “중성자별 내부 구조가 중력파에 어떻게 반영됐는지를 본다. 중력파 자체 연구가 아닌, 중력파 소스 연구다. 사실 중성자별 연구는 그간 침체되어 있었다. 내부 구조를 직접 볼 수 없기 때문이다. 그런데 최근 중력파 검출로 활기를 되찾았다”.

2017년 8월 17일 중력파 검출기 LIGO에 중성자별과 중성자별의 충돌로 만들어진 중력파가 처음으로 잡혔다. 이전에 검출된 중력파는 모두 블랙홀과 블랙홀 충돌에서 나온 것이었다. 이 사건은 날짜를 따라 GW170817이란 이름을 갖고 있다. 이 중성자별 충돌이 유명한 건 소위 ‘다중신호 천문학’ 시대를 열었기 때문이다. “감마선은 물론이고 X선, 가시광선, 전파(radio)까지 싹 다 나왔다. 가장 먼저 나오는 전자기파는 감마선이다. 중성자별이 서로 공전하면서 충돌하는 회전축 방향, 즉 직선 방향으로 감마선이 먼저 나온다. 워낙 강하기 때문에 똑바로 나오는 것이다. 에너지가 시간이 지나 떨어지면서 감마선이 옆으로 퍼지고, 그러면 옆의 물질과 충돌하면서 전자기파가 만들어진다. 중성자별은 블랙홀 충돌과는 달리 충돌 이후 주위에 남은 가스가 많다. 이 물질과 감마선이 부딪치면서 또 다른 전자기파가 나온다. 그러면 시차를 두고 지구에서 각종 망원경으로 중성자별 충돌에서 나오는 다양한 신호를 관측하게 된다. 이론으로 예상됐던 이런 현상을 직접 관측할 수 있었기에 이 중성자별 충돌은 놀라웠다.”

이 교수에 따르면 중성자별과 중성자별이 충돌해서 잠시 밤하늘을 빛냈던 사건은 킬로노바(Kilonova)라고 불린다. ‘노바’는 새로운 별, 신성(新星)이라는 말이고, 킬로는 ‘1000’을 가리키니, 킬로노바는 별의 밝기가 신성의 1000배쯤 된다는 뜻이다. 2017년 8월 17일 킬로노바 폭발 때 “지구보다 더 큰 분량의 금이 만들어졌다”고 이 교수는 말했다. 나는 처음에는 말을 못 알아들었다가, 잠시 뒤에야 이해했다. 생각지 못한 얘기였기 때문이다. 별은 우주 용광로라고 하더니 딱 맞는 말이었다.

이 교수는 “원소의 탄생과 관련해 중성자별 연구가 시사하는 게 크다”고 말했다. 빛이 중성자별 충돌 사건 이후 나오는 시간을 보면, 이곳에 있는 물질을 추정할 수 있다. 지금까지 수소를 제외한 가벼운 원소는 별의 중심에서 만들어지고, 무거운 원소는 초신성 폭발 때 만들어진다고 알려져 있었다. 이 교수는 무거운 원소의 생성 과정이 좀 불확실했다고 했다. 그런데 이번 중성자별 충돌 사건으로 “무거운 원소 중 가벼운 건 초신성 폭발에서, 무거운 건 중성자별 충돌에서 주로 만들어진다는 주장이 주목을 받고 있다”고 그는 말했다. 이 교수는 “중성자별 충돌 관측은 앞으로도 계속 발견될 것이다. 기대가 크다”라고 말했다.

무거운 블랙홀이 생각보다 많다는 의미

그에 따르면 중력파 연구에서 지금까지 크게 의미 있는 것은 두 가지다. 그중 하나가 지금까지 말한 중성자별 폭발 관련이고, 두 번째는 블랙홀 관련이라고 말했다. 그는 지난해 12월 중순까지의 최신 자료를 보여주며 “무거운 블랙홀이 생각보다 많이 있다”라고 말했다. 기존에는 블랙홀 중 태양 질량 30배 이하만 우리은하에서 발견됐다. 물론 은하 중심에 있는 거대한 블랙홀은 여기서 제외된다. 그런데 중력파 검출기로 태양 질량 30~80배 되는 블랙홀이 충돌하는 사건도 지금까지 10개 정도 발견했다. “이럴 줄은 몰랐다. 이는 획기적인 사건이다. 은하계 내부의 블랙홀 개수가 달라지면 별의 진화 시나리오가 바뀌어야 한다. 우주 진화 연구에까지 영향을 주는 발견이라고 생각한다.”

이창환 교수는 5년 전부터는 중이온가속기 연구를 하고 있다. 대전에 들어서는 중이온가속기 라온(RAON) 실험을 통해 중성자별 충돌 때 무슨 일이 일어나는지를 알 수 있다고 했다. “요즘 연구의 80~90%가 중이온 충돌 실험을 위한 시뮬레이션 코드 개발이다. 옆방의 박사후연구원과 학생들도 코드 개발 관련 토론을 하고 있다. 한국에서 생산되는 데이터를 활용할 수 있는 연구를 하고 있다.” 그는 중이온가속기 실험에서 만들어지는 고밀도물질의 성질을 알면 중성자별 내부의 상태 방정식을 검증할 수 있다고 했다.

이 교수는 박사후연구원 시절 캘리포니아에서 만났던 킵 손 교수를 몇 년 전 한국에서 만났다. 킵 손이 자문한 영화 ‘인터스텔라’가 인기를 끌면서 한국에 온 김에 대중강연을 했다. 그때 킵 손을 만나 한국에서의 일정을 도왔고, 본인도 이후 대중과 만나는 기회를 많이 가졌다. 지난해까지 대중강연을 100회 넘게 했다. 이 교수는 인터뷰를 마친 내게 ‘서울에 올라가면서 보라’며 그의 글이 실린 ‘과학과 인문학과의 대화’라는 책을 건네줬다. KTX에서 책을 펼쳐보니 ‘현대물리학과 현대미술’이라는 제목의 글이 실려 있었다. 사진작가 김아타의 작품 ‘인달라’와, 김환기 화백의 ‘어디서 무엇이 되어 다시 만나랴’(1970)와 같은 현대미술을 갖고 물리학 얘기를 쉽게 전달하고 있었다. 읽다 보니 연필을 꺼내 밑줄을 치게 되었고, 서울역에 내리니 밤하늘이 보였다. 태양이 사라져야 드러나는 우주의 모습이었다. 중성자별과 블랙홀이 시공을 흔드는.