천문학에서의 중력파에 대한 고찰 - (1)

목차

1. 중력파란?

2. 중력파 검출 방법

 

 

 

 

 

 

1. 중력파란?

중력파는 1905년 앙리 푸앵카레가 최초로 중력파에 대한 개념을 제시하였다. 그리고 1915년에 아인쉬타인이 일반상대성이론을 바탕으로 하여 중력파의 존재를 처음으로 예측하였다. 하지만 관측되기에는 너무나 작아서 그당시 기술로는 측정되지가 않았고 100년이 지난 이후에 그것도 직접적으로 관측되지 못하고 간접적으로만 관측되었다. 그러다가 2015년에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에서 중력파 검출이 최초로 성공함으로 인해 중력파의 존재를 학계에 보고하게 되었다. 그리고 중력파를 관측해낸 3명의 물리학자는 노벨 물리학상을 수상하기도 하였다. 이런 중력파는 시공간 즉 시간과 공간이 출렁거릴때 그것이 파동으로 전달되어 움직이고 있는 물체나 어떤 계로 부터 바깥 쪽으로 이동하는 것을 의미한다. 이런 중력파에 의해서 전달되는 에너지를 중력복사라고도 말하기도 한다. 일반상대성이론에 따르면 중력에 의해 왜곡된 시공간을 밑바탕으로 하여 찾아낸 결과로서 절대적인 시공간을 말하고 있는 뉴튼역학에서는 절대 중력파의 존재가 불가능할수밖에 없다. 여기서 중력파를 방출하는 대표적인 예로서 백색왜성이나 중성자별, 그리고 블랙홀 등이 있다.  

 

2. 중력파 검출 방법

중력파는 아인쉬타인의 일반상대성이론에 의해서 그 존재가 예측되었을때부터 이미 물리학자들 사이에서는 이것을 검증해내는게 하나의 성과나 업적의 목표가 되었다. 시공간은 아인쉬타인의 일반상대성이론에 따르면 어떤 질량을 가지는 물체 또는 천체에 의해서 만들어지는 중력에 의해서 왜곡되게 되어 있다. 즉 시공간이 중력의 영향을 받아 휘어진다고 알려져 있다. 그런데 우주에서 엄청난게 큰 질량을 가진 천체가 폭팔 즉 초신성이나 충돌을 하였을 경우에 처럼 급격히 질량의 변화가 생겼을때 당연히 그에 따라 중력의 변화도 생기기 때문에 아인쉬타인은 이러한 과정에서 중력의 변화에 의해서 시공간의 일렁임 즉 출렁임이 중력파라고 하는 파동에너지로 우주 전체로 퍼져나갈것이라고 예측하였던 것이다.

이러한 중력파에 대한 최초의 검출 시도로는 미 해군 장교였던 조셉 웨버에 의해 제작된 웨버 바라고 불리는 알미늄 원통의 장치를 만들어서 중력파와의 공명현상을 이용하여 검출하려 했던 것이다. 이 장치를 이용하여 중력파를 검출하려고 시도하였고 1968년도에 중력파를 검출해내었다고 발표하였다. 그 당시 웨버는 중력파 검출에 성공했다고 발표했지만 그 이후에 수많은 과학자들이 재현을 하는데 실패하였고, 심지어는 아폴로 17호에 실려서 달위에서 관측을 시도하였지만 실패하기도 하였다. 웨버가 검출했다는 중력파는 알루미늄 원자의 열운동 때문에 노이즈가 발생하여 그것이 관측되었다는 의견이 있었고, 또한 웨버의 중력파 검출장치가 중력파를 검출해내기에는 정밀도가 떨어졌다는 의견들이 있어서 그 설득력을 잃어버리게 되었다. 그 이후에는 웨버가 사용했던 소프트웨어에 오류가 발견됨으로 인해 결국에는 학계에서 인정을 받지 못하게 되었다. 결국 중력파를 검출하는 것은 실패로 돌아갔지만 그의 시도는 수많은 과학자들에게 많은 영감을 주었고 오히려 웨버의 주장이 잘못되었음을 주장하기 위해 새로운 아이디어들이 많이 나오게 되었다. 이 논란에 최초로 뛰어든 사람은 그 유명한 스티븐 호킹 박사 였으며, 그의 일생에서 중력파에 대한 유일한 논문이 웨버의 주장을 수학적으로 계산하여 그것이 틀렸다는 것을 검증한 논문이었다. 현재의 중력파 검출장치에 대한 아이디어 또한 그 당시의 학생들에게 중력파에 대해서 설명해 주기 위해 웨버의 논문을 읽은 라이너 와이즈가 도저히 웨버의 계측장비로는 중력파와 공명이 안될거라고 생각되어 다른 아이디어를 낸것이 그 계기가 되었다고 한다. 1970년대에 과학자들은 중성자별의 쌍을 발견하게 된다. 이 중성자별 쌍은 서로의 주변을 도는 천체로서 이 궤도를 관측한 결과 매해마다 궤도주기가 줄어들어서 그 반경 또한 그에 따라서 줄어들고 있음을 발견하게 되었다. 이 중성자별 쌍은 서로의 질량 중심을 돌며 서서히 가속되어서 가까이 다가가게 되는데 이과정에서 에너지를 방출하게 되어 중력파가 발생되게 된다. 이 중성자별 쌍의 궤도 주기 변화가 일반 상대성 이론으로 예측할수 있는 중력파에 의한 에너지 손실과 정확히 일치하며 이로 인해 중력파 존재를 간접적으로 입증하기에 이른다. 이것으로 노벨물리학상을 받게 된다. 과학자들은 웨버의 중력파 검출 실패 이후에 중력파 측정 방식을 레이저 간섭계 방식으로 바꾸기로 한다. 이 레이저 간섭계 방식의 원리는 마이컬슨 간섭계와 원리가 동일하며 원래 완전히 결맞음 상태의 레이저를 셋팅해 놓은 이후 공간의 요동으로 인하여 레이저 진행거리가 아주 조금 바뀌게 되면 그에 따라서 간섭무의 변화가 생기게 하는 것이다. 이러한 방법을 통하여 과학자들은 원자핵 지름 정도 크기의 아주 작은 미세한 흔들림도 측정할수 있게 되었다. 드디어 2002년에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 관측장비가 가동되기 시작하였다. 2016년에 중력파 검출에 성공하였다고 발표하게 되었는데 과학자들에 따르면 관측된 중력파는 우리 지구로부터 13억 광년 떨어진 쌍성계 였던 두개의 블랙홀이 서로 충돌하면서 새로운 블랙홀이 탄생되는 과정에서 생긴것이었다. 블랙홀의 질량은 무려 태양의 36배와 29배 였으며, 하나로 합쳐짐으로 인해 태양보다 62배 더 무거운 거대한 블랙홀로 탄생하게 되었다. 이때의 두 블랙홀의 충돌로 인해 태양 3개분의 질량이 에너지로 전환되었고 그때 발생된 중력파가 지구를 스쳐 지나갔는데 이때 관측장비가 중력파를 검출해 낸 것이다.