중력파 탐지. 아인슈타인의 중력파 예측과 발견. 라이고. 중력파가 뭐야?

 

 

아인슈타인의 1세기 전 발견      
알베르트 아인슈타인이 1세기 전(1915년 일반상대성이론에서 예측) 주장했던 중력파의 존재를 라이고(LIGO - 고급레이저간섭계중력파관측소)가 11일 워싱턴에서 기자회견을 열어 시공간을 일그러뜨리는 것으로 알려진 중력파의 존재를 직접 측정하여 탐지했다고 발표했습니다. (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Obserbatory, Supported by the National Science Foundation Operated by Caltech and MIT)

*정확하게는 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표한 1915년의 다음해 6월 시공간이 뒤틀리면서 파장이 발생한다는 논문을 발표하였습니다.

아인슈타인은 특수상대성이론 노벨상을 수상받았을 때, 수상자로 선정된 이유가 '심사자들이 상대성이론을 이해하지 못할만큼 어려운 이론이어서'라는 말이 있을 정도로 당시의 과학인프라를 고려했을 때 엄청난 업적들을 많이 세웠습니다.

그가 1세기 전에 예측했던 그 중력파를 측정한 것이 왜 이렇게 난리일까요?

일단, 중력파란 위의 설명에서도 나오듯이 블랙홀이나 중성자성과 같이 질량이 큰 물체들 주변에서 형성돼 시공간을 일그러뜨리는 것으로 '믿어지던' 추측으로 존재해왔습니다.

 

왜 대단한 발견인가?       
"We have detected gravitational waves. We did it!" - David Reitze 미국 라이고 실험 책임자 (캘리포니아공대 교수)

실험 책임자에 의하면, 400년 전 갈릴레오가 망원경을 발명한 것에 빗댈 수 있는 발견이라고 말하였습니다.

-최초의 중력파 직접 검출: 중력파의 간접 증거가 발견된 적은 있었으나 직접 검출이 이뤄진 것은 과학사상 처음입니다.

-최초의 블랙홀 쌍성 관측: 발견된 이 중력파는 태양 질량의 약 36배와 29배인 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성이 지구로부터 약 13억 광년 떨어진 곳에서 충돌해 합쳐지는 과정에서 나온 것입니다. 이 과정에서 두 블랙홀이 중력파를 내며 점차 접근해 충돌하기 직전 약 0.15초간 방출되었고 이 대 태양의 3배에 달하는 질량이 중력파 에너지로 빠져나가 소멸했습니다.

-중력파를 이용한 천체 탐구의 시작: 실험 책임자인 라이츠가 '갈릴레오의 망원경 발명'에 비유한 이유가 이것입니다. 중력파를 활용하면 우주를 정밀하게 관측할 수 있고 (), 그동안 빛까지 흡수하기때문에 기존 장비로 연구가 어려웠던 블랙홀(강력한 중력을 가진)이 방출하는 중력파를 관측하여 블랙홀의 생성과 성장 과정의 비밀을 풀 수 있습니다.

인류가 우주탄생의 비밀을 밝혀낼 날이 머지 않았을까요?

 

 

라이고는 어떻게 발견했는가?      
밑의 사진 둘은 라이고의 관측소를 도식화한 것이고 그 아래 사진은 실제 외관입니다. (미국 루이지애나주 리빙스턴 인근)

도식화된 그림에서 각 Station을 연결하는 관들은 모두 진공상태입니다.

1. Corner Station인 진공터널 시작점에서 레이저를 발사하여

2. 관측소 양 끝인 Left Arm - End Station과 Right Arm - End Station까지의 거리 중 각 4km인 지점인 곳(Mid Station-End Station)마다 거울을 배치하여

3. End Station의 거울에서 반사되는 레이저로 각각 길이 측정을 합니다.

4. 중력파가 지나가면서 진공터널 두 곳(Mid Station-End Station)에서 각각 측정한 거리가 서로 달라지는데, 이를 Corner Station에 위치한 광검출기를 통하여 중력파가 지나갈 때 생기는 레이저의 길이 변화를 감지한 것입니다.

 

중력파를 발견했다고 발표한 것이 라이고가 처음은 아닙니다.

   

1960년대부터 시작된 중력파 검출시도.

1969년 미국 메릴랜드대 조셉 웨버 교수 중력파 검출 주장.

2014년 3월 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터는 중력파를 탐지했다고 발표했으나 데이터 해석의 오류가 밝혀지면서 발표를 철회한 바 있습니다.

2016년 LIGO 중력파 검출 성공.

하지만 중력파가 천체관측에 유효한 이유는 빛과 달리 반사되는 특성도 없고 왜곡없이 전달되며 모든 물질을 훑고 지나가는 특성이 있기 때문이라고 합니다. 또한, 초기 우주 생성 당시 만들어졌기때문에 방출 당시의 정보를 가지고 있을 가능성이 높아 '중력파 천문학'의 새 지평이 열린 것입니다.

 

이런 중력파를 관찰하기 어려웠던 이유는 중력파가 거리에 비례해 신호크기가 작아지기 때문입니다. 지구로부터 13억 광년이나 떨어진 곳에서 발생한 중력파가 장애물(예를 들어 우리 몸)을 통과한다고 가정했을 때 우리 몸은 수am(아토미터- cm는 10의 -2제곱, am은 10의 -18제곱) 늘어나게 됩니다. 이 정도의 크기는 수소원자크기의 수만 분의 일에 불과할 정도로 미세한 차이라고 합니다.

갈릴레오가 오래전 발명한 광학 망원경, 60년 전에 발명된 전파 망원경에 이어, 이제 인류에겐 중력파를 이용한 천체를 관측할 수 있는 새로운 창이 생겼습니다.

 

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