아인슈타인중력파

아인슈타인 중력파이론 

 

 

 

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아인슈타인이 옳았다. 미국 고급레이저간섭계중력파관측소(LIGO)는 11일(현지시간) 기자회견을 열고 1세기 전 알베르트 아인슈타인이 주장했던 중력파의 존재를 확인했다고 밝혔다.중력파는 우주의 탄생을 이해하는 데 큰 구멍을 메워 줄 '이 시대 가장 큰 과학의 발견'으로 꼽혀왔다. 또 중력파는 아인슈타인의 이론 중 검증되지 않은 마지막 과제였다.

중력파는 블랙홀이나 중성자성처럼 질량이 큰 물체들 주변에서 형성돼 공간과 시간을 '일그러뜨리는' 것으로 알려져있다. 이 중력파는 태양 질량의 36배(오차 감안한 범위 32∼41배)와 29배(오차 감안한 범위 25∼33배)인 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성이 지구로부터 13억 광년(오차 감안한 범위 7억5천∼19억 광년) 떨어진 곳에서 충돌해 합쳐지는 과정에서 나온 것이다.

이 중력파는 두 블랙홀이 중력파를 내면서 점차 접근해 충돌하기 직전 약 0.15초간 방출됐던 것으로 추정된다. 충돌한 두 블랙홀은 태양 질량의 62배인 하나의 블랙홀로 변했고 이 과정에서 태양의 3배에 해당하는 막대한 질량이 중력파 에너지로 빠져 나가 소멸했다. 관측의 통계적 신뢰도는 5.1 시그마(σ) 이상으로, 잡음에 의해 우연히 이런 가짜 신호가 잡힐 확률은 500만분의 1 이하에 해당한다고 연구자들은 밝혔다. 관측된 중력파의 진동수 범위는 30∼150 헤르츠(Hz)로, 소리로 변환하면 사람이 들을 수 있는 저음이 된다.

 

 

최대 진폭은 10의 21거듭제곱분의 1이었다. 이는 1광년의 길이에 머리카락 하나 굵기 정도 수준의 엄청나게 미세한 변화가 생기는 데 해당한다. 라이고 연구진은 레이저를 서로 수직인 두 방향으로 분리시켜 보낸 후 반사된 빛을 다시 합성해 경로 변화를 측정하는 방식으로 시공간의 뒤틀림을 측정했다. 또 약 3천km 떨어진 미국 루이지애나 주 리빙스턴과 워싱턴 주 핸퍼드에서 두 개의 검출기를 동시에 가동해 가짜 신호와 진짜 신호를 구분하고, 미세한 시차를 이용해 파원의 방향을 추정했다.

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이번 발견은 천체물리학계 뿐만 아니라, 우주의 기원에 대한 인식의 지평을 새롭게 열어줄 것으로 기대된다는 게 전문가들의 평가다. 이번 발견의 다른 의미는 중력파 천문학 시대의 개막이다. 요컨대 그동안은 가시광선을 포함한 전자기파를 주로 이용해 우주를 관측해왔지만 앞으로는 중력파를 이용해 각종 우주 현상을 관측할 수 있는 길이 열렸다.

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 Gravitational Waves Explained

 

​중력파’ 아인슈타인 이론속에 감춰진 ‘빅뱅이론’무엇?

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‘중력파’ 아인슈타인 이론속에 감춰진 ‘빅뱅이론’ ‘중력파’의 실체가 밝혀져 화제인 가운데 ‘빅뱅이론’도 덩달아 화제를 모우고 있다사진은...맨위에 있는 구는 양(+)의 곡률(구부러진 정도)이다. 러스니까 구의 형태로 모든 면이 일정하게 휘어져있다. 그리고 그 밑에건 음(-)의 곡률이므로 거꾸로 휘어진 모습을 띄고 있다. 마지막으로, 맨 아랫것은 0의 곡률이며 휘어진 정도가 0 이니까 전혀 휘어지지 않고 평평하다. 때문에 빅뱅이론은 우주가 최초에 플랑크 길이 (10의 -33제곱)만큼 작았는데 열과 압력을 견디지 못하고 결국 엄청난 폭발을 일으켰다는 이론이다.

중력파는 블랙홀 둘이서 병합되거나 별이 폭발할 때 생기는 파동으로 4차원인 시공간이 더 높은 차원인 5차원, 즉 중력의 파동으로 인해 휘어지는데, 이때 이 중력의 파동이 중력파이다. 시공간은 중력에 의해 휘어지는데, 이 휘어지는 곡률이 더 클수록 시간도 더 팽창하다. 그러니까, 어떤 "우주적 폭발"이 강력할수록 이 중력파도 세져 시공간이 더 많이 휘어지기에 학자들은 빅뱅이랑 중력파는 어떤 관계냐면...'빅뱅 중력파'로 인식하고 있다.

 이게 원시 우주나 우주 탄생의 기원에 큰 전환점이 되고 있다. 이처럼 중력파가 주목을 받는 것은 알베르트 아인슈타인이 1세기 전 주장한 중력파의 존재를 과학자들이 확인했기 때문이다. 급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO)는 인류 최초로 “블랙홀이나 중성자성과 같이 질량이 큰 물체들 주변에서 형성돼 공간과 시간을 일그러뜨리는 것으로 믿어지는 중력파의 존재를 탐지했다”고 발표해 아인슈타인의 이론을 입증했다.

 

'아인슈타인이 항상 옳았네' 중력파 탐지 문답풀이

중력파는 '시공간 물결'…블랙홀도 관측할 새 장 개막

이번 발견은 최고의 이론 물리학자로 불리는 알베르트 아인슈타인이 100년 전 예측했으나 검증되지 않은 마지막 과제였다. 그런 배경에서 이번 연구 결과는 '인류 과학사의 쾌거' '천문학의 대변혁'으로 평가됐다. 아가 연구를 주도한 미국 국립과학재단(NSF) 등의 학자들은 노벨 물리학상을 받을 유력한 후보로 단숨에 뛰어올랐다. 력파가 도대체 무엇인지, 그리고 이번 중력파 탐지가 왜 중요한 의미를 지니는지 이번 발표를 둘러싼 궁금증을 문답 형식으로 풀어본다.

-- '중력파'란 무엇인가.

▲ 중력파를 한마디로 정의하면 '중력에 따른 시공간의 물결'이다. 연못에 돌을 던지면 동심원을 그리며 물결이 퍼지듯 질량을 가진 물체로 인해 시공간이라는 연못에 생기는 물결인 것이다. 시공간'(spacetime)은 3차원의 공간에 시간을 더한 사차원의 세계로, 천문학자들이 우주를 인식하는 방식이다. 중력이나 중력파를 설명하기 위해서는 종종 시공간을 트램펄린으로, 질량을 가진 물체는 트램펄린 위에 떨어진 볼링공으로 비유하기도 한다.

볼링공은 트램펄린 한가운데 떨어지며 트램펄린을 휘어지게 하는데 이것이 중력이고, 이로 인해 생기는 트램펄린의 파장이 중력파인 셈이다. 신성 폭발이나 쌍둥이 별의 움직임 등이 볼링공이 떨어지는 것 같은 작용을 하면서 중력파를 발생시키는데, 중력파를 유발하는 물체의 질량이 클수록 중력파의 크기도 크고, 그만큼 관측하기 쉬워진다.

▲ 알베르트 아인슈타인은 1916년 일반상대성이론에서 중력파의 존재를 예측했다.

일반상대성이론에서 아인슈타인은 중력의 정체를 '시공간의 뒤틀림'으로 파악했고, 중력장에 따른 파동인 중력파도 존재할 것으로 추정한 것이다. 러나 중력파가 극히 미세한 탓에 아인슈타인 자신도 중력파가 탐지될 수 있을지에 회의적이었다. 중력파는 아인슈타인의 이론 가운데 100년이 지나도록 검증되지 않은 마지막 과제이기도 했다. 의 주장 가운데 지구 표면 등 중력이 강한 곳으로 올수록 시간의 흐름이 더뎌진다는 것이나 중력에 의해 빛이 휜다는 것, 우주가 끊임없이 팽창하고 있다는 것 등은 모두 과학적으로 입증됐다.

▲ 앞에 언급했듯이 중력파의 크기가 극히 미세한 탓에 탐지하기가 쉽지 않다.

이번에 관측된 중력파도 진동수 범위는 30∼150㎐, 최대 진폭은 10의 21거듭제곱분의 1로, 1광년 길이에 머리카락 하나 굵기 정도의 엄청나게 미세한 변화 수준이다. 렇기 때문에 지금까지는 중력파의 존재가 '간접적으로' 확인되는 데 그쳤다. 970년대와 1980년대 조지프 테일러 프린스턴대 명예교수와 러셀 헐스 댈러스 텍사스대 교수가 서로의 주위를 도는 '쌍성펄서'(binary pulsar)'를 발견함으로써 중력파의 존재를 간접 입증했고, 1993년 노벨 물리학상을 수상했다.

지난 2014년에는 하버드-스미스소니언 천체물리센터 '바이셉'(BICEP) 연구진이 남극 하늘에서 초기 우주 팽창에 따른 '최초 중력파'를 발견했다고 발표했으나 얼마 후 이것이 우주먼지로 인한 오류일 가능성이 크다는 분석이 나오기도 했다.

▲ 이번에 탐지된 중력파는 약 13억 년 전에 각각 태양 질량의 36배, 29배인 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성이 충돌해 합쳐지는 과정에서 약 0.15초간 발생한 것이다.

국내 연구진도 포함된 13개국 협력연구단인 라이고과학협력단(LSC)은 고급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO)를 중심으로 매우 정밀한 레이저 측정장치를 활용해 중력파 검출에 나섰다. 이고 실험의 핵심은 레이저를 서로 수직인 두 방향으로 분리시켜 보낸 뒤 반사된 빛을 다시 합성해 경로 변화를 측정하는 방식으로 시공간의 뒤틀림을 측정하는 것이다.

중력파로 인한 매우 미세한 거리 변화를 탐지하기 위한 것이기 때문에 측정 설비 자체도 매우 정밀하게 설계됐고, 오류를 피하기 위해 3천㎞가량 떨어진 두 곳에 검출기 두 곳을 설치한 뒤 동시에 가동했다. 구진이 중력파를 처음 검출한 것은 지난해 9월 14일로, 이후 이번 발표까지 여러 차례 자체 검증 작업을 거쳤다.


▲ '최초의 중력파 탐지'는 이론으로만 존재하던 아인슈타인의 주장을 직접 확인했다는 데에도 의의를 갖지만 앞으로 천문학에 새로운 지평을 열었다는 점에서 무엇보다 큰 의미를 지닌다.

맨눈으로만 천체를 관측하던 시대에서 '망원경 천문학' 시대와 전자기파로 체를 탐색하는 '전파 천문학'의 시대를 거쳐 '중력파 천문학' 시대가 열리게 되는 것이다. 금까지 전자기파를 통한 천체 관측에는 한계가 있었다. 령 블랙홀의 경우 밀도가 매우 높고 중력이 너무나 크기 때문에 그로부터 일정 반경 이내에서는 전파조차 탈출할 수 없어 전파망원경으로도 관측이 불가능했는데 중력파로는 관측이 가능해진 것이다.

▲ 중력파의 추가 발견은 앞으로도 이어질 수 있다.

AP통신은 앞으로 많으면 한 달에 몇 차례씩, 적어도 1년에 몇 차례씩 중력파가 발견될 수 있다고 내다봤다. 특히 우주 대폭발로 인한 중력파인 이른바 '최초 중력파'가 발견되면 빅뱅의 비밀을 푸는 데 중요한 단서가 될 수 있다. 를 위해서는 중력파 검출 기술의 고도화가 선행돼야 한다. 이번 연구를 바탕으로 중력파 천문학 발전이 급물살을 타면 그동안 풀리지 않았던 우주의 신비들이 하나씩 밝혀지는 것도 기대할 수 있다.

출처:  mihye@yna.co.kr