얼마 전 세계적으로 큰 이슈를 불러 일으킨 LIGO의 중력파 측정 뉴스가 있었습니다.
이런 분야에 대해 저보다 훨씬 해박하신 전공자분들이 많이 있겠지만, 저와 같은 일반인들이 이해할 수 있는 내용으로 중력파에 관련된 글을 한 번 써 볼까 합니다. (사실 저도 이해를 잘 못하지만.. 글을 쓰면서 이해를 해 보려고 합니다)
중력파의 개념은 사실 이미 1916년 (지금부터 100년 전) 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 그 존재를 예측했다고 합니다. 하지만 실험으로 측정하기에는 너무나 작은 영향을 실제 세계에 미치기 때문에, 지금까지의 기술력으로는 실험으로 그 존재를 직접 검증하지 못했는데 미국 LIGO의 실험 장비를 통해 2015년에 와서야 처음으로 직접적인 측정(검출)을 성공 했습니다.
이 글은 위키피디아 (https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave 등) 및 Physical Review Letter에 발표된 논문 (http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102#fulltext)을 참조하였음을 알려 드립니다.
중력파란?
아인슈타인의 일반 상대성이론에서 중력은 시공간의 곡률 (curvature)로 인해 나타나는 현상으로 설명합니다. 곡률은 "질량" 에 의해서 생성되는데요, 아래와 같은 그림을 아마 많이 접해 보셨을 것 같네요.
위 그림에서 지구의 질량으로 인해 주변의 시공간에 곡률 (휘어짐) 이 생겼고, 주변에 중력장이 생성되어 다른 물체들을 끌어 당기게 됩니다.
그런데 어떤 특정한 상황에서, 가속도를 가진 물체는 이 곡률에 변화를 주고 그 변화는 마치 파동처럼, 빛의 속도로 바깥으로 전파 됩니다. 그것을 우리는 중력파 (Gravitational wave)라고 부릅니다.
위에서도 이야기 했지만, 처음으로 중력파를 예측한 사람은 바로 아인슈타인입니다. (1916년, 일반상대성 이론을 발표한 다음 해)
일반상대성이론의 방정식 (linearized weak-field equations) 이 파동해(wave solution) 을 가지는 사실을 발견했다고 하는데요, (상세한 부분은 https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March01/Carroll3/Carroll6.html 를 참조하세요.) 1957년 채플 힐 컨퍼런스까지는 중력파의 실제 여부에 대해 학계에서도 의문이 많았다고 합니다.
그리고 1974년 서로 회전하는 두 펄사 (binary pulsar system) 가 서로 접근하고 있는 것 (orbital decay) 가 관측 되었고, 그 발견으로 인해 중력파가 존재함을 간접적으로 증명할 수 있게 되었습니다.
(직접적으로 시공간의 변형을 측정하지는 못했지만, 두 펄사의 orbital decay가 이론 상 중력파의 방출로 인한 계산 결과와 일치했기 때문에 중력파가 존재한다고 설명할 수 있었던 것입니다)
중력파가 관찰자를 지날 때, 중력파의 영향으로 관찰자는 주변의 시공간이 변형된 것을 측정할 수 있습니다. 시공간의 변형은 중력파가 지나감에 따라 마치 늘어났다 줄어드는 현상이 물결의 일렁임처럼 일어난다고 설명할 수 있는데요, 물결과 같이 중력파도 파동의 근원에서 거리가 멀어질 수록 그 영향력도 약해져서 지구에서 멀리 떨어진 지점에서 방출된 중력파로 인한 시공간의 왜곡 (변형, strain) 은 굉장히 작아서 검출이 어렵습니다. (대략 양성자 지름의 1/1000 정도)
중력파는 전자기파 (빛을 포함한) 가 지나가지 못하는 공간도 제약 없이 통과하기 때문에 (즉 중력파를 차폐할 수 있는 방법은 없습니다) , 지구에서 관측이 어려운 천체 (멀리 떨어져 있는 블랙 홀 등) 도 중력파를 이용하면 관측이 가능할 것이라고 합니다. 그래서 이렇게 많은 돈과 노력을 들여서 세계 각국에서 중력파를 실험으로 실측하는 프로젝트에 매달리고 있었던 것 같아요.
LIGO Detector (측정 장치)
이번에 중력파를 측정한 LIGO의 측정 장치에 대해서 간략하게 설명해 보겠습니다.
왼쪽 위의 미국 지도에 나와 있는 파란 색 (L1) , 그리고 빨간 색 (H1) 두 곳에 길이 4Km 의 L 자 형 마이컬슨 간섭계가 LIGO의 두 측정 장치입니다.
멀리 떨어져 있는 두 곳에 각각 관측 장치를 둔 이유는, 지리적, 환경적 원인으로 인해 발생하는 관측 오차 (잡음) 을 최소화 하기 위해서 입니다. 관측 장비가 하나만 있거나, 혹은 가까운 곳에 두 개가 있다면 관측된 신호가 진짜 중력파로 인한 것인지, 아니면 다른 원인 (지진 등) 으로 인한 것인지 밝혀 내기가 매우 어렵기 때문입니다.
마이컬슨 간섭계의 기본적인 원리는 간단합니다. 광원 (source)에서 발사되는 레이져를 beam splitter (반 거울) 를 통해 일부는 반사 시키고 (그림에서 y 축 방향) 일부는 직진 시키고, 그 빛을 어느 정도 거리에 떨어져 있는 거울로 다시 반사 시켜서 측정 장치 (photo detector) 를 통해 위상 검출하여 정확한 거리를 측정하게 됩니다.
일반적인 상황에서 x축과 y축의 거리는 동일합니다. 하지만 중력파로 인해서 시공간의 변형이 생길 때, x축과 y축의 거리에 변화가 발생하고 측정 장치에 수신 된 빛의 위상 차이에 변화가 발생하고, 특정한 빛의 패턴을 보여주므로 발생한 공간의 변형을 측정할 수 있습니다.
그림에도 나와 있지만, 측정 감도를 높이기 위해서 여러 가지 개선 사항이 측정 장치에 적용되어 있습니다. x, y축 각각에 두 개의 거울과 극초진공으로 이루어진 공진 공동 (optical resonant cavity) 가 설치 되어 있고, (4km 길이) Power recycling 거울을 이용해서 레이저 출력을 증가 시키고 있습니다.
측정 결과
2개의 측정장치에서 측정된 중력파는 거의 정확히 일치합니다. 따라서 지상의 잡음 (지진파 등)으로부터 발생되지 않고 우주에서 온 중력파로 인해 측정 된 데이터일 것으로 (매우 높은 확률로) 판단되었습니다.
측정 된 데이터를 이용한 계산 결과, 중력파를 발생시킨 천체 (블랙홀 충돌) 에 대해서 다음과 같은 특성을 파악했습니다.
두 개의 블랙홀 (각각 태양 질량의 36배, 29배) 이 서로 회전하다가 중력파를 방출하며 그 회전 반경이 점점 좁아지고, 최후에 서로 충돌하면서 하나의 블랙홀로 병합 되는 순간 가장 큰 중력파가 방출되었고 그 중력파로 발산된 에너지는 병합 과정에서 손실 된 중량, 즉 태양 질량의 3배에 해당하는 어마어마한 양이라는 것이죠.
특히나 병합 과정의 마지막 20밀리초 동안에 중력파의 형태로 방출된 에너지는 3.6×1049 watts 정도로 추산 되는데, 그 에너지는 우주 전체의 모든 항성이 방출하고 있는 에너지의 50배나 된다고 하니.. 정말 놀랍죠?
또, 지구에서 이 블랙홀까지의 거리는 401메가파섹 즉 약 13억광년이나 떨어져 있다고 계산 되었습니다.
하지만 그 블랙홀의 정확한 위치는 단지 2개의 LIGO 관측기로 판단하기가 어려워 추후 다른 방법 (X-Ray 관측 등)으로 관측, 판별하기 위해 노력 중이라고 합니다.
마지막으로 뉴욕 타임즈의 중력파 검출 관련 기사에 올라와 있는 동영상을 공유 합니다.
영어로 되어 있지만, 중력파 검출 및 미래의 관측 방안 (우주의 관측 장비를 이용한) 에 대해서 매우 흥미롭게 설명하고 있습니다.
