천문학에서의 중력파에 대한 고찰 - (2)

목차

1. 중력파 검출

2. 중력파 검출이 힘든 이유와 해결방법

 

 

 

 

 

 

1. 중력파 검출

앞서 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에서 중력파를 인류최초로 검출하는데 성공하였다고 하였다. 이것에 대해서 좀 더 자세히 설명하자면 지구에서 13억 광년 떨어진 거리에서의 쌍성계가 충돌하면서 엄청난 질량의 블랙홀이 탄생하였는데 이때 중력파가 발생하였고 이 중력파를 잡아낸 것이다. 이때 최초의 중력파를 검출한 이후에 세 개의 추가적인 중력파를 더 검출해 내었다. 두번째 중력파는 각각 태양 질량의 14배, 8배인 블랙홀이 합쳐지면서 태양질량의 21배의 블랙홀이 탄생하는 과정에서 발생한 것으로 루이지애나 주립대 교수인 곤잘레스 교수가 언급하기를 이번 검출은 블랙홀 질량이 최초 중력파를 만들어 낸것보다 가벼워서 검출기에서의 민감한 주파수 대역에서 더 오랜 시간인 1초 정도 머물렀다고 밝혔으며 우주에 얼마나 다양한 블랙홀이 존재하는지 조사를 진행할수 있게 되었다고 밝혔다. 중력파의 1차 검출에서는 0.25초 정도만 관측되었었다. 큰 질량을 가진 서로 다른 천체가 서로 공전을 하게 되었을때 서로의 중력은 서로에게 영향을 미치며 이 두 천체의 질량중심을 기준으로 공전을 하게 된다. 서로를 공전하는 두개의 물체의 궤도는 영원히 바뀌지 않아야 되겠지만, 실제는 두개의 천체의 가속운동으로 인한 중력파 에너지의 물결이 주변으로 번져 나가고 있어서 에너지의 총합을 줄어들게 되어 마침내 두 천체는 가까워지다가 결국 합쳐지게 된다. 두천체는 서로의 거리가 가까워지면서 공전의 반경이 작아지게 되고 서로의 각운동량을 보전하기 위해 매우 빠른 속도로 공전을 하게된다. 그러다 두개의 천체는 매우 가까워지면서 합쳐지게 되는 것이다. 그리고 두 천체가 서로를 중심으로 공전하게 됨으로 인해 중력파가 발생되게 되고 그 주변의 시공간은 출렁이게 되는것이다. 두 천체가 가까워지면 가까워질수록 공전시간은 줄게 되고 중력파의 에너지는 더욱 커지게 된다. 그러다 두개의 천체가 완전히 합쳐지만 더이상 중력파는 발생되지 않는다.  중력파 측정방법은 마이컬슨 간섭계를 아주 크게 제작하여서 중력파가 간섭계에 영향을 미칠수 있도록 하는 레이저의 미세 변화를 측정해내는 방식이다. 이렇게 하여 검출된 중력파는 대략 13억년전의 두 블랙홀이 합쳐지면서 발생된 것으로서 이때에 발생된 중력파가 지구를 통과하기 약 30분전에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 업그레이드가 이루어졌다. 그렇게 하여 중력파는 극적으로 검출되게 되었다.

 

2. 중력파 검출이 힘든 이유와 해결방법

이번에는 중력파 검출이 왜이렇게 힘들었는지에 대해서 간단히 설명하려 한다. 일단 전자기파를 이해해야 되는데 우리가 흔히 알고 있는 전자기파는 전하를 이용하여 전기력을 측정하면 쉽게 알아낼수가 있다. 그리고 검출되는 양이 미약하다고 판단되면 시험하는 전하의 전하량을 늘려서 쉽게 해결하였다. 즉 전하량이 서로 다른 두개의 시험전하 사이의 거리 변화를 이용해서 검출해내는 것이다. 하지만 중력파일때는 이야기가 달라진다. 일단 중력이라는 것이 시공간의 왜곡으로부터 설명이 시작된다. 즉 중력파라는 것이 시공간 자체의 그 어떤 기하학적인 요동 자체이며 그것을 관측하는 관측자 또한 중력파와 같이 요동을 친다. 그래서 결국에는 관측자가 중력파를 측정해 낼수가 없는 것이다. 거기다가 중력파로 인한 천체의 가속운동은 그것의 중력파가 동일할때 그 물체의 질량과는 관계없이 똑같이 발생된다는 것이다. 이것때문에 관측자가 위치와 거리 변화에 대한 상쇄로 이어져서 측정하기가 꽤나 어려운 것이다. 하지만 방법은 아예 없었던 것은 아니었는데 그것은 바로 위치에 따라 변화한 중력파의 차이를 검출해내는 것이었다. 두 시험장치의 거리를 충분히 아주 멀리 떨어뜨려놨을때 그 둘사이의 변화를 측정하게 되는데 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 양측의 거울사이 거리도 무려 4km에 이른다. 거기다 레이저 간섭을 활용하여 검출하는 방식을 쓰는데 이것은 중력파가 굳이 아니라 하더라도 빛의 간섭에 영향을 주는 요인은 여러가지가 있을수 있다. 중력파는 아주 먼 천체에서 발생되어 그것의 일부가 지구에 도달하는 것으로서 지구 어디서나 관측이 가능해야 하고 그와 동시에 거의 같은 흔들림이 관측되어야 되는 것이다. 따라서 미국에서도 루이지애나와 워싱턴에 두개를 각각 만들어 놓은 것이다. 두개의 관측소 거리차이는 대략 3천 km이고 이렇게 거리를 둔 이유는 중력파의 방향을 알아내기 위함이었다. 같은 중력파가 두개의 관측소를 지나갈때 생기는 시간오차를 계산해 내어 어느 방향에서 왔는지를 계산하게 된다. 여기서 노이즈에 대한 엄청난 대책이 요구되는데 대표적으로 진공관과 아주 낮은 온도가 그것이다. 실제로도 온도에 대한 노이즈를 줄이기 위해서 반사경 재질을 사파이어로 제작하였다. 좀 더 정확한 중력파 관측을 하기 위해서는 관측소와 반사경 사이의 거리를 휠씬 멀리 떨어뜨려놔야 되는데 그러한 긴 거리에서는 진공과 그리고 극저온은 만들고 유지하기가 꽤나 힘들다. 그래서 대안으로 나온 방법이 우주로 중력파 관측위성을 쏘아 올려서 관측소와 거울 사이의 거리를 무려 250km 까지 늘리는 것을 목표로 하고 있다고 한다. 2016년에 최초로 중력파가 검출된 이후에 과학자들은 중력파 검출 연구에 좀더 박차를 가하고 있고 이제 아인쉬타인의 중력에 의한 주변 시공간 왜곡현상을 좀 더 명확하게 증명해 내는데 더욱 더 가까워지고 있는 것이다.