천문학에서의 중력파에 대한 고찰 - (3)

목차

1. 중력파와 중력자의 관계에 대해서

2. 중력파의 또다른 관측 기록

 

 

 

 

 

1. 중력파와 중력자의 관계에 대해서

이번 시간에는 중력파와 유사하게 다루어지는 중력자에 대한 이야기를 해보려고 한다. 파동역학에 따르면 파동은 양자역학적인 교환자 관계를 가지도록 설정을 하면 파동에너지가 어떤 특정 에너지의 배수배로 정해져버리는데 이것의 최솟값이 곧 양자가 되고 여기서 전자기파의 양자는 광자이며, 중력파에서 있어서 양자는 곧 중력자가 된다. 어떤 우주에 작용하는 힘이라는 것은 위에서 언급한 것과 같이 정의되는 매개입자들을 주고 받으며 서로 상호작용을 하게 되어있다. 여기서 우주의 4가지 힘인 전자기력은 광자를 그리고 약력은 W-Z 보손을 그리고 강력은 글루온과 같은 입자를 서로 주고 받는다. 이 네가지 힘인 전자기력, 약력, 강력, 중력 중에서 오직 중력만이 상호작용하는 입자의 존재여부를 밝혀내지 못하고 있따. 여기서 중력의 상호작용 입자를 중력자라고 부르고 있는 것이다. 아직까지 중력자가 발견되지 않은 것은 중력자체가 약한 힘에 속하기 때문이다. 설령 중력자가 존재한다고 해도 그것을 검출해내기가 쉽지는 않다. 중력파는 중력이 아니라고 말할수 있다. 중력파는 일단 다른 물질들과 서로 상호작용을 일으키지 않는다는 특징을 가지고 있다. 중력파의 측정과정이 얼마나 어려웠는지를 안다면 당연히 그것을 감지해낼수 있을 만큼의 상호작용을 기대하지는 못할 것이다. 그렇지만 이 우주는 우리 환경 모두는 이러한 중력의 영향을 받고 있지만 중력파가 중력의 역활을 한다고 가정하면 그것을 충분하게 감지할수 있을 정도의 상호작용이 이루어져야 할 것이다. 거기다가 중력파는 단순 진동현상에 가깝다고 볼수 있기에 중력의 매개체로 보기에도 어려운 부분들이 있다. 중력파라는 것은 어떤 물체나 천체가 운동을 하면서 방출하는 에너지가 시공간을 요동치게 하는 것이라고 이미 언급한 적이 있다. 따라서 중력파를 단순히 중력 그자체라고 말할수 없는 것이다. 중력파를 통해서 중력자를 관측할 수 있다는 여분 차원이라는 이론이 있다. 이 여분 차원이라는 것에서는 미시 세계에서의 중력에 대한 힘과 그것의 영향력이 아주 상이하기 때문에 중력파가 상호작용을 거의 하지 않는 다는 기존의 개념들을 바꿀수도 있다. 실제로 관측 결과를 가지고서 여분 차원을 적용해 그것을 설명한 연구 결과도 나와 있다.

 

2. 중력파의 또다른 관측 기록

LIGO 즉 레이저 간섭계 중력파 관측소에서 2017년에 새로운 중력파가 측정되었는데 그것은 대략 1.7초 이후에 페르미 감마선 관측 망원경에서 아주 짧은 순간의 감마선 폭팔이 감지되었다. 하지만 이태리에서 새로운 가동을 시작한 VIRGO 관측기에서는 LIGO 에 비해서 더 정밀한 성능을 가지고 있었음에도 불구하고 중력파를 검출해 내지 못하였다. 이것은 중력파가 VIRGO의 사각지대로 들어와서 측정이 안되었다고 볼수 있다. 이러한 데이터들을 바탕으로 하여  관측기기들의 측정가능 구역과 감마선이 감지된 영역을 따져서 과학자들은 이러한 중력파원이 존재할만한 후보지들을 설정해 나갔다. 이렇게 하여 발견된 중력파는 이전 관측 결과와는 아주 다르게 아주 긴 100초라는 지속시간을 가지고 있었고, 이것으로부터 이 신호는 중성자별의 충돌로 인해 발생되었을 것이라 추측을 하게 되었다. 단순하게 블랙홀들의 충돌에서 처럼 중력파만 발생시키고 끝나버리는 것과는 다르게 중성자별들의 충돌 현상은 킬로노바라고 불리우는 광학적인 현상까지 같이 동반한다고 알려져 있어서 그 대상의 정확한 위치를 알지 못하는 상황에서도 최적의 관측시기를 지나칠 가능성이 높았다. 따라서 LIGO 와 페르미 망원경으로 관찰을 지속한 과학자들이 전세계에 있는 천문대에 협조요청을 보냈고, 최대한 많은 망원경을 동원하여 그 중력파원을 찾아나서는 대규모의 국제적 협력이 이루어지게 되었다. 그리고 마침내 NGC4993 이라는 은하에서 발게 빛나는 것을 망원경을 통해서 관측을 하게 되었고 직접적으로 확인 할수가 있었다. 서로 다른 두개의 중성자별이 충돌하여 사방으로 에너지를 뿜어내는 킬로노바는 현재까지 이론으로만 존재하던 것으로서, 이것의 최초 관측에 있어서 중력파가 아주 큰 기여를 하게 된 셈이 되버렸다. 이로서 중성자별의 충돌을 통해서 전자기파와 중력파로 관측하는 최초의 기록을 남기게 되었다. 그리고 이러한 현상의 스펙트럼 분석 결과 금이나 납 등 아주 무거운 원소들이 확인됨으로서 킬로노바가 우주에 존재하는 무거운 원소들을 생성시키는 하나의 원인이 되는 것으로 확인이 되었다. 여기서 간단하게 중성자별에 대해서 설명을 하자면 중성자별을 초신성의 폭팔이후에 남아있는 별의 핵이 중력으로 인해 붕괴되면서 원자 내부의 원자핵과 전자가 서로 합쳐져서 중성자로 변하면서 만들어지는 별을 의미한다. 이 중성자별이 더 극단적으로 압축되어 버리면 결국 물질이 붕괴되어 블랙홀이 되는 것이다. 중성자별은 작은 크기임에도 불구하고 엄청나게 큰 질량을 가지고 있는데 이것은 엄청나게 큰 중력에 의해서 원자를 구성하는 전자들이 죄다 양성자들과 합쳐져 있는 상태를 말하는 것이다. 이러한 중성자별은 엄청난 질량으로 인해 중성자별을 정면에서 관측할수 있다면 중성자별의 뒷면의 일부분만을 관측할수 있을 뿐이다. 이것은 중성자별의 엄청난 중력으로 인해서 그 빛 또한 중성자별에 의해 왜곡되어서 방출되기 때문이다. 하지만 밀도가 더욱 높은 중성자별은 표면 전체를 관측할수도 있다.