<중력파 발견>
2015년 드디어 중력파(Gravitational Wave)가 검출되었다는 소식에 세계가 환호했다.
중력파는 시공간의 뒤틀림으로 발생한 요동이 파동의 형태로 전달되어, 움직이는 물체 또는 계(界, system)로부터 바깥 쪽으로 이동하는 것을 말한다. 이러한 중력파에 의해 전달되는 에너지를 중력 복사(重力輻射, gravitational radiation)라 한다. 뉴턴 역학에서는 중력파의 존재 자체가 불가능한데 이는 중력파를 방출하는 계의 대표적인 예가 한쪽에 백색 왜성, 또는 중성자별이나 블랙홀을 포함한 쌍성계로 생각하기 때문이다.
1916년에 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론의 기반으로 그 존재를 처음으로 예측하였지만 그동안 지구인들의 기술적인 한계로 100년 동안 중력파는 직접적으로 검출되지 않고 간접적으로 확인되기만 했었다.
그러나 2015년 9월, 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO, The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)에서 중력파의 검출에 성공하였고 이 프로젝트에 참여한 라이너 와이스(Rainer Weiss) 메사추세츠공과대학(MIT) 교수, 캘리포니아공과대학의 배리 배리시(Barry C. Barish)와 킵 손(Kip S. Thorne)가 2017년 노벨물리학상을 수상했다.
이 내용만 보면 어떤 과학의 천재들이 일반인들은 할 수 없는 엄청난 일을 하여 노벨상까지 받은 것으로 이해된다. 더구나 중력파, 중성자별, 블랙홀, 아인슈타인에다 노벨물리학상이라는 말까지 나오므로 이해하기 쉬운 것은 아니다. 사실 수상자 3명은 중력파라는 것을 탐색하기 위해 무려 40여년을 한 길만 판 끝에 노벨상을 수상한 것은 사실이다.
그런데 이들 노벨상을 받은 연구 내용이 세계적으로 흥행에 성공한 크리스토퍼 놀란 감독의 영화 「인터스텔라」 주제라고 한다면 거의 대부분 놀랄 것이다. 더구나 이 영화는 노벨상 수상자인 킵 손과 직간접적으로 관련된다.
영화제작자인 린다 옵스트는 로버트 저메키스의 「콘택트」를 만들 당시, 킵 손 박사와 인연을 맺었다. 「콘택트」는 칼 세이건 박사의 책 『콘택트』를 기본으로 하는데 칼 세이건, 옵스트 모두 「콘택트」 속의 웜홀 부분을 킵 손으로부터 조언을 들었다.
킵 손은 옵스트에게 '뒤틀린 시공간(Warped space-time)' 이론을 바탕으로 영화를 만들어보면 어떻겠냐고 제안했다. 그의 제안에 옵스트가 동조하여 결국 「인터스텔라」로 발전한 것이다. 특히 영화 속 웜홀 여행은 킵 손이 1988년에 발표한 논문 「시공간의 웜홀과 항성간 여행에서의 유용성」을 바탕으로 표현되었다.
그런데 「인터스텔라」가 2014년에 나오기까지는 상당한 우여곡절을 겪는다.
우선 킵 손의 원작에 스티븐 스필버그가 제작하겠다고 흥미를 보여 스필버그는 조너선 놀란에게 「인터스텔라」의 각본 작업을 맡겼다. 그런데 영화가 첨단 천체 물리학을 주제로 하므로 조너선 놀란은 4년 동안 캘리포니아 공과대학에서 상대성 이론을 공부하면서 시나리오 작업에 매달렸다. 여러 가지 이유로 영화 기획이 생각보다 길어지자 스티븐 스필버그 대신 새로운 감독이 필요하게 되자 조너선 놀란은 자신의 형인 크리스토퍼 놀란에게 자신의 시나리오를 보여주었고 크리스토퍼 놀란이 이를 맡겠다고 하여 결국 스필버그를 대신하여 메가폰을 잡았다. 놀라운 것은 영화 소재가 우주 그것도 난해하기 그지없는 블랙홀 등을 다루며 제작비가 1억 6,500만 달러로 만만치 않았는데도 불구하고 무려 6억 7천만 달러의 흥행수입을 보였다는 점이다.
여하튼 「인터스텔라」는 킵 손 교수가 40여 년 연구하면서 노벨물리학상을 수상하는 중력파 연구와 직결된다. 「인터스텔라」 자체는 2014년 11월에 개봉되었는데 영화의 소재인 중력파가 2015년 중력파가 검출되었다는 소식에 탄력을 받았고 「인터스텔라」는 세계인의 주목을 받았다. 한국에서는 2016년 재개봉되었는데 1,000만 명의 관객이 동원되었을 정도다..
그런데 2017년 깁 손 교수가 노벨물리학상을 수상하여 「인터스텔라」는 더욱 호가를 높였다. 영화의 시작은 태양계인 토성 근처의 웜홀 발견하는데 토성 근처의 웜홀을 발견하는 계기가 바로 중력파다. 그런데 중력파는 중성자별이나 블랙홀 쌍성계의 병합에서 발생하므로 토성 근처에는 중성자별이나 블랙홀이 존재하지 않으므로 엄밀한 과학 잣대를 적용하면 오류라 볼 수 있다. 그러나 영화의 속성상 상상력을 가미하면 영화에서 토성에서 웜홀을 발견한다는 자체를 나무랄 것은 아니다. 더불어 블랙홀 등의 묘사는 현재의 과학 지식이 모두 담겨져 있다고 평가된다. 킵 손이 노벨상을 받은 바로 그 내용이다.
그런데 2019년 4월 ‘이벤트 호라이즌 망원경 프로젝트(이하 EHT)’가 블랙홀을 촬영한 사진이 공개됐다.
빛을 포함한 모든 전자기 복사를 흡수해 광학 망원경에서 X선, 감마선, 전파 망원경에 이르는 인류가 가진 어떤 망원경으로도 관측되지 않지만 바깥쪽 경계선인 사건의 지평선을 들면 이론적으로 가능하다.
EHT는 세계 각지의 전파 망원경 15〜20개를 연결해 만든 지구 크기의 거대한 가상 망원경으로, 우리 은하 처녀 은하단의 블랙홀 'M87'의 ‘사건 지평선’을 계속 관측했다. 이에 발표된 블랙홀은 에 일각에서는 영화 「인터스텔라」에서 묘사된 모습과 거의 일치한다.
<중력과 중력파>
지구에 살고 있는 모든 생명체는 매순간 중력 속에서 살아간다.
17세기에 아이작 뉴턴이 발표한 만유인력의 법칙은 중력에 관한 이론이다. 뉴턴은 두 물체 사이에서 서로를 잡아당기는 힘으로 작용하는 만유인력이 질량의 곱에 비례해서 커지며, 둘 사이의 거리의 제곱에 반비례한다고 발표했다. 이 법칙은 우리 일상에서 중력에 의해 벌어지는 모든 운동을 정확히 설명한다.
그러나 뉴턴의 중력은 어떤 방식으로 각각의 물체에 작용하는지에 대해서는 설명하지 못하는 것은 물론 강한 중력장이나 빛에 가까운 속도에서는 잘 들어맞지 않는다.
특히 학자들은 질량이 지구의 33만 배가 넘는 태양과 수성의 운동은 만유인력의 법칙에 따르지 않는다는 것을 발견했다. 수성의 근일점은 100년에 약 43초(1초는 각도 1°의 3600분의 1)씩 알 수 없는 이유로 움직였다.
아인슈타인은 이런 현상을 뉴턴과 달리 생각했다.
뉴턴은 물체를 둘러싼 공간과 시간은 물체의 존재와 관계없이 변하지 않는 절대적인 대상이라고 생각했다. 그러나 아인슈타인은 그렇지 않을 수 있다고 생각했다. 상대성이론의 시작이다.
잘 알려진 이야기이지만 아인슈타인은 물체의 가속운동에 의해 빛이 이동하는 공간이 휘어지고, 시간도 느려진다고 생각했다. 그러므로 질량(중력)을 가진 물체는 주변의 시공간에 영향을 미친다고 말했다. 또한 가속운동은 중력에 의한 운동과 같다고 생각했다.
태양이나 지구를 비롯한 대부분의 천체는 질량의 변화가 거의 없다. 따라서 중력은 물론 주변 시공간의 변화도 없다. 하지만 별이 폭발하는 현상인 초신성처럼 질량이 급변하는 상황에서는 중력이 요동친다. 질량의 분포가 시간에 따라 변하면서 시공간이 휘는 양상이 변하고, 그 양상의 변화가 공간을 따라 퍼진다. 아인슈타인이 1916년 이런 현상을 예측하여 발표한 것이 바로 중력파다.
<중력파 검출>
중력파의 검출은 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 그 존재를 예측 했을 때부터 물리학자들 사이에서 하나의 목표가 되었다. 시공간은 일반 상대성 이론에 따르면 질량을 가지는 물체에 의해서 생성되는 중력에 의해서 휘어진다.
아인슈타인이 그의 일반 상대성 이론에서 명시했듯이, 중력파는 우주를 채우며 빛의 속도로 퍼져나간다. 아이스 스케이팅 선수가 회전을 하거나 블랙홀 한 쌍이 서로를 중심으로 돌 때와 같이 하나의 질량이 가속될 때 항상 생성된다. 이 말은 우주 공간에서 아주 큰 질량을 가진 물체가 폭발이나 충돌하여 급격하게 질량이 변화하면 그에 따른 중력도 변화한다는 것이다. 아인슈타인은 이 과정에서 중력의 변화에 의한 시공간의 변화가 중력파라는 파동으로 퍼져나갈 것이라고 예측했다.
그런데 아인슈타인은 인간이 증력파를 결코 측정 할 수 없을 것이라고 확신했다.
그럼에도 중력파가 워낙 매력적이므로 중력파 검출에 많은 천문학자들이 도전했다.
그중 가장 유명한 사람이 미국의 조셉 웨버(Joseph Weber)이다. 그는 냉각 장치를 사용하지 않고 길이 2미터, 지름 1미터의 알루미늄 원통으로 웨버 바(Weber bar)라고 불리는 장치로 1968년대에 중력파 검출에 성공했다고 발표했다. 그러나 많은 학자들에 의한 재현이 불가능했고 1972년 아폴로 17호에 장치를 탑재하여 달 위에서도 관측을 시도하였으나 실패하였다.
검출은 실패로 끝났지만 중력파를 검출하자는 생각은 계속 천문학자들의 관심사로 떠 올랐다. 학자들은 중력파를 직접 측정하는 것이 어렵다고 판단하고 간접적으로 중력파를 증명하는 연구로 방향을 옮겼다.
1970년대에 조세프 테일러와 러셀 헐스가 서로의 주변을 도는 중성자별 쌍을 발견하고, 이들의 궤도를 20〜30년간 관측한 결과 해마다 궤도주기가 조금씩 줄어들며 그 반경 또한 그에 따라 줄어들고 있음을 발견하였다.
중성자별 쌍은 서로의 질량 중심을 돌며 서서히 가속되어 서로에게 다가가게 되는데 이 과정에서 에너지를 방출하며 중력파가 발생하게 된다.
그들은 이 궤도 주기의 변화는 일반 상대성 이론으로 예측할 수 있는 중력파에 의한 에너지 손실에 의한 것과 정확히 일치한다고 발표했다. 중력파의 존재를 간접적으로 입증했다는 설명으로 그들은 중력 연구의 새로운 가능성을 연 공로로 1993년 노벨물리학상을 받았다.
이들의 연구에 고무된 천문학자들은 다시 직접 중력파를 검출하자는 방향으로 옮겼다.
우선 중력파 측정 장치의 방식을 레이저 간섭계를 이용한 방식으로 바꿨다. 측정 장치의 원리는 광속을 측정한 마이컬슨 간섭계와 동일하다. 완전히 결맞음 상태의 레이저를 세팅해 놓았다가 공간의 요동으로 인해 레이저가 진행하는 거리가 아주 조금 달라지면 그에 따라 간섭무늬의 변화가 생기게 하는 방식이다. 이 장치의 장점은 원자핵의 지름 정도의 아주 작은 흔들림도 측정할 수 있다.
중력파 검출 장비는 계속 업그레이드 되었음에도 번번이 검출에 실패했으나 2015년 미국 캘리포니아 공대의 데이비드 라이츠 교수는 한국을 포함한 16개국 80여 개 연구기관 1,000여 명의 연구진에 의해 중력파 검출에 성공했다고 밝혔다. 일반상대성이론이 예측한 현상 중에서 마지막까지 남아있던 숙제가 풀리는 역사적인 순간이었다.
연구진들이 관측에 성공한 중력파는 지구로부터 13억 광년 떨어진 곳에서 쌍성계를 이루고 있던 두 개의 블랙홀이 충돌해 새로운 블랙홀이 되는 과정에서 생성된 것이다. 이 말은 천문학자들이 관찰한 중력파가 무려 13억 년에 출발하여 지구에 도착했다는 것을 의미한다.
블랙홀의 질량은 각각 태양의 36배, 29배이며, 하나로 결합하여 태양보다 62배 무거운 블랙홀이 됐다. 이때 태양 3개분의 질량이 에너지로 전환되면서 중력파로 전달되었다. 한양대 이현규 박사는 천문학자들이 발견한 중력파원의 에너지는 우주에서 가장 강하다고 알려진 감마선 폭발 현상에서 나오는 것보다 크다고 말했다.
결론은 13억 년 전에 발생한 중력파가 빛의 속도로 지구를 스쳐 지나갔는데, 이 순간을 LIGO가 놓치지 않고 잡아냈다는 것이다.
이어서 루이지애나 주립대학교의 가브리엘라 곤잘레즈 교수도 중력파를 검출했다. 그는 각각 태양 질량의 14배와 8배인 두 블랙홀이 합병해 빠르게 회전하는 21배의 태양 질량의 블랙홀이 만들어지는 과정에서 발생한 중력파를 검출했다. 이후 중력파는 계속 발견되었다.
사실 중력파 검출은 천문학자들의 개가라고 불 수 있다.
중력파 검출이 힘든 이유는 중력파 자체가 차원을 달리하기 때문이다.
전자기파는 시험전하를 이용하여 전기력을 측정함으로써 알아낼 수 있다. 검출되는 힘이 미약하면 시험전하의 전하량을 늘려서 전기력을 보다 키워 측정할 수 있다. 그러나 중력파에서 '중력'은 시공간 자체의 구부러짐으로 설명된다. 이는 중력파는 시공간 자체의 기하학적 요동이며, 관측자도 중력파를 따라 같이 흔들린다는 것이다. 관측자 자신은 중력파를 느낄 수 없는데다 중력파로 인한 가속운동은 중력파가 동일할 때 물체의 질량에 관계없이 모두 똑같이 나타난다는 점이다.
그러므로 위치에 따른 중력파의 차이를 검출하는 것이다. 그런데 중력파는 매우 멀리 떨어진 천체에서 퍼져나와 그중 일부가 지구 전역으로 도달하는 것이므로 지구 어디서 측정하나 거의 동시에 거의 같은 흔들림이 관측되어야 한다.
그래서 미국 내에서도 루이지애나 주와 워싱턴 주에 각각 배치했는데 두 관측소 사이의 거리는 약 3천km나 된다. 학자들은 이 정도가 되어야 중력파의 방향을 알 수 있다고 말한다.
<중력파와 중력자>
학자들이 중력파 검출에 성공하자 아직 발견되지 않은 중력자 발견에 관심을 경주한다.
우주는 현재 네 가지의 힘 즉 전자기력, 약력, 강력, 중력으로 움직인다. 힘은 매개입자를 주고받으면서 상호작용을 하는데 전자기력은 광자, 약력은 W-Z보손, 강력은 글루온 같은 입자를 주고받는다. 그런데 아직 중력의 상호작용 입자의 존재 여부를 밝혀내지 못했다.
학자들은 중력의 상호작용 입자가 있다고 가정한다면, 그 입자를 중력자라고 부른다.
중력자가 아직까지 발견되지 않은 이유는, 중력장의 범위가 대단히 넓은데다 중력이 워낙 약한 힘이기 때문이다. 상호작용 입자가 존재한다 해도 그 미미한 힘을 검출하기가 쉽지 않다는 뜻이다.
학자들이 중력파에 큰 기대를 거는 것은 중력파가 중력자의 역할을 할지 모른다고 생각하기 때문이다. 현재 이 질문은 두 가지로 나뉜다.
첫째는 중력파가 중력자는 아니라는 것이다. 중력파가 중력자의 역할을 하지 않을 것으로 추정하는 이유는 다음과 같다.
먼저 중력파는 다른 물체와 거의 상호작용을 하지 않는다는 것이다.
그러나 천문학자들은 그 어렵다는 중력파를 검증한 것을 볼 때 즉 중력파를 검증할 실력을 갖고 있으므로 중력자가 있다면 분명히 검출되었을 것으로 생각한다.
특히 중력파는 단순히 진동현상에 가까우므로 중력의 매개체로 보기 어렵다는 시각도 있다. 중력파는 어떤 물체가 질량을 잃으면서 발생한 에너지가 공간을 진동시킨 것이다. 침대에 볼링공을 떨어뜨릴 때 침대 표면이 진동하는 것을 떠올리면 이해하기 쉬운데 볼링공의 낙하에너지가 침대 표면의 진동이라는 형태로 나타났다고 해서 그것이 에너지 전달의 매개체라고 보기엔 힘들다는 주장이다.
둘째는 중력파가 중력자일수도 있다는 설명이다.
이를 설명하는 이론으로 여분 차원이다. 여분 차원에서는 미시 세계에서 중력의 힘과 그 영향력이 판이하게 다르기 때문에, 중력파가 상호작용을 거의 하지 않는다는 특징을 뒤집을 수 있다는 것이다.‘ 그런데 이것은 어디까지나 미시 세계에서의 이야기이므로 거시 세계를 미시 세계로 간주하여 적용해야만 한다는 걸림돌이 있다. 1km 길이의 막대를 충분히 멀리서 바라보면 0.1mm 길이의 막대로 보일 수 있으므로 이런 시각에서 중력파, 중력자들 다루어야 한다는 뜻이나 아직 어느 누구도 이 문제에 명쾌한 답을 주고 있는 것은 아니다. 계속적인 연구가 필요하다는 뜻이다.
학자들이 중력파 검출에 환호하는 것은 파생효과 때문이다.
최영준 과학동아 기자는 물질과 거의 간섭하지 않는 중력파의 특성을 응용하여 거대 항성의 내부 구조나 심지어 블랙홀의 내부를 간접적으로 관찰할 수 있을 것으로 적었다.
블랙홀의 경우 지금까지 그 외부(빛이 탈출할 수 있는 범위 밖)만을 간접적으로 관찰했다면, 이제는 전자기파로는 전혀 알 수 없는 질량이나 자전여부 까지 구체적으로 알 수 있게 된다. 김정리 박사는 빛으로는 10년 정도 간접적인 관측을 해야만 블랙홀의 질량을 잴 수 있는데다 태양 질량의 수백만 배가 되는 거대 블랙홀만 가능했다. 그러나 중력파로는 태양 질량의 30〜50배 정도의 작은 블랙홀을 찾아낼 수 있으며 관측과 동시에 질량 등의 특징을 분석할 수 있다고 알려진다.
초기 우주를 관측할 수 있다는 장점도 빼놓을 수 없다.
물질과 상호작용하지 않는 중력파는 아무런 방해를 받지 않고 우주의 역사를 따라 지구까지 도달한다. 따라서 우주 초기에 생성된 입자들이 어떻게 분포돼 있었는지 구체적으로 파악할 수 있으므로 이를 통해 어떤 과정을 거쳐서 은하가 만들어지고, 우주가 현재의 모습이 됐는지를 알 수 있다는 설명이다.
빅뱅 직후의 우주를 관측하고 연구하기 위한 도구가 하나 더 생겼다는 평이다.
참고문헌 :
「중력파 - 100년 만에 증명된 아인슈타인의 예언」, 최영준, 과학동아, 2016.03.21.
「블랙홀 관측 성공, "모든 걸 빨아들여" 영화 인터스텔라 속 모습과」, 수원일보, 2019.04.11
https://namu.wiki/w/%EC%A4%91%EB%A0%A5%ED%8C%8C
https://namu.wiki/w/%EC%9D%B8%ED%84%B0%EC%8A%A4%ED%85%94%EB%9D%BC#s-6
https://www.scienceall.com/category/science_pedia/%eb%85%b8%eb%b2%a8-e-library/%eb%85%b8%eb%b2%a8%ec%83%81-%eb%ac%bc%eb%a6%ac%ed%95%99/
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