2016년 2월 11일 과학자들이 중력파(gravitational waves)를 직접 관측했다는, 천문학 사상 가장 위대한 발견 가운데 하나를 발표했다. 중력파란 알베르트 아인슈타인이 100년 전에 예측한 시공간의 파동이다.
물리학자들은 각각 태양 질량의 28배, 36배인 두 블랙홀이 결합되어 더 강력한 하나의 회전 블랙홀을 생성했는데, 검출된 중력파는 결합의 마지막 순간에 생성된 것이라고 밝혔다.
국립과학재단에 따르면, 약 13억년 전에 발생한 두 블랙홀의 충돌은 그 동안 예측은 됐지만 실제 관측된 적은 없다. 중력파는 미국 루이지애나 주 리빙스턴과 워싱턴 주 핸포드에 위치한 두 개의 쌍둥이 LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소) 검출기로 모두 미국 동부시각 2015년 9월 14일 오전 5시 51분에 관측됐다. editor@itworld.co.kr
중대한 뉴스
미국 캘리포니아 공과 대학 LIGO 연구소 책임자인 데이비드 라이츠 박사가 1세기 전 물리학자 알베르트 아인슈타인이 가설로 제안한 시공간의 파동, 중력파에 대해 이야기한다.
중력파가 왜 중요한가?
연성계 블랙홀 형성 및 LIGO 데이터 분석 전문가인 미국 노스웨스턴 대학의 비키 캘로제라는 "중력파가 블랙홀과 기타 우주 물체에 대한 완전히 새로운 정보를 제공하며 우주의 새로운 부분을 살펴보는 열쇠가 된다"고 말했다.
노스웨스턴의 물리학 및 천문학 연구 부교수인 섀인 라슨은 "중력파 자체를 사용해 우주를 관찰하는 새로운 형태의 천문학"이라고 덧붙였다.
거대한 결합
은하계 앞에서 일어난 두 블랙홀 결합의 시뮬레이션. 미국 국립과학재단(National Science Foundation, NSF)는 9월 14일 관측된 충돌 직전에 두 블랙홀이 방출한 에너지는 나머지 우주 전체의 에너지를 합친 것보다 더 크다고 전했다.
상대성 이론으로 설명
NSF가 설명한 일반 상대성 이론에 따르면, 서로의 궤도를 공전하는 두 블랙홀은 중력파 방출을 통해 에너지를 잃고 이를 통해 수십억 년에 걸쳐 서로 거리를 좁혀가다가 마지막 몇 분 사이에는 훨씬 더 빠른 속도로 서로 근접하게 된다. 마지막 순간 두 블랙홀은 광속의 절반에 가까운 속도로 충돌하면서 더 거대한 하나의 블랙홀을 형성하고, 아인슈타인 공식 E=mc2에 따라 결합된 블랙홀의 질량은 에너지로 변환된다. 이 에너지가 중력파의 마지막 강력한 파동으로 방출된다. LIGO가 관측한 중력파가 바로 이것이다.
전망 좋은 방
미국 워싱턴주 핸포드에 위치한 LIGO 검출기 모습. LIGO 연구를 수행하는 단체는 미국 전역과 그 외 14개 국가의 대학에 속한 1,000명 이상의 과학자들로 구성된 LIGO 과학 협력단(LIGO Scientific Collaboration)이다. LIGO 천문대는 미국 NSF의 후원을 받으며 캘리포니아 공과 대학과 MIT에서 설계, 건축해서 운영 중이다.
먼 거리
LIGO는 서로 약 3,000km 떨어진 미국 루이지애나와 워싱턴주에 위치한 두 개의 쌍둥이 계측기로 구성된다. 계측기에는 상호 직각 방향으로 4km 길이의 통로가 뻗어 있고 이 통로로 레이저가 지나간다. 중력파가 검출기를 통과하면서 시공을 왜곡하면 두 통로 가운데 하나는 길어지고 하나는 짧아진다. 과학자들은 두 검출기 간의 어긋남을 비교함으로써 중력파의 직접적인 검출을 확인할 수 있다.
거대한 건물
미국 워싱턴주 핸포드의 LIGO 핸포드 관측소. 콘크리트와 스테인리스강으로 만들어진 관이 4km 길이의 레이저 장치를 보호한다.
LIGO
한 기술자가 LIGO의 광학 장치에서 작업 중이다. 각 관측소에 있는 4km 길이의 L형 LIGO 간섭계는 두 개의 빔으로 분할되어 통로를 왕복 이동하는 레이저 광을 사용한다. 이 빔은 각 통로의 끝에 정확하게 위치한 거울 간의 거리를 모니터링하는 용도로 사용된다. 아인슈타인의 이론에 따르면 중력파가 검출기를 통과할 때 이 거울 간의 거리가 바뀌게 된다.
더 많은 연구
남극의 BICEP2(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) 망원경에서 수십억 년 전의 편광을 포착하는 데 사용되는 특수 초전도 검출기 장치. BICEP 망원경은 중력파를 탐측했다.
확증
중력파 검출은 알베르트 아인슈타인이 1915년 일반 상대성 이론에서 예측한 중요한 이론을 확증한 중대한 사건으로, 공간과 시간을 조사하는 방법을 변화시킬 수 있다.
기타 연구
NASA가 2016년 2월 10일 공개한 마그네타, 즉 초자기성 중성자성의 렌더링 이미지. 알베르트 아인슈타인은 1세기 전에 빛의 속도로 우주를 가로질러 퍼지는 시공 연속체의 작은 파동인 중력파의 존재를 가설로 제안했다.