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2013년 4월 27일 토요일

다시 한번 시험을 통과한 아인슈타인의 중력 이론




 아인슈타인의 중력 이론이 다시 한번 테스트를 통과했습니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 일반적인 주변 생활에서는 눈치챌 수 없는 매우 기묘한 현상들을 예상하고 있는데 예를 들어 빨리 움직이는 물체의 시간은 느리게 가는 것 등이 대표적입니다. 이와 같은 현상은 우리의 일상 생활에서는 전혀 눈치 챌 수 없지만 수많은 관측과 실험을 통해 사실로 입증되어 왔습니다. 


 하지만 과학자들은 지금도 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 특수 상대성 이론이 맞는지를 검증하고 그 대안적 이론의 가능성은 없는지에 대해서 꾸준히 연구 중에 있습니다. 이와 같은 끊임 없는 검증이야 말로 과학의 특징이라고 할 수 있으며 아직 우리가 모르는 부분에 대해서 새롭게 발견하는 계기가 되기 때문입니다. 기존의 상대성 이론으로 설명되지 않는 현상을 발견한다면 물리학이나 과학의 위기가 오는 것이 아니라 더 크게 발전하는 계기가 될 것입니다. 마치 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 광속도 불변 현상이 상대성 이론과 현대 물리학을 크게 발전시키는 계기가 되었듯이 말이죠.  


 이런 관점에서 보면 다시 일반 상대성 이론이 시험을 통과했다는 이야기는 실망 (?) 스러운 이야기일 수도 있지만 과학자들에게는 매우 중요한 결론이라고 하겠습니다. 이번에 검증 무대는 지구에서 7000 광년 정도 떨어진 중성자별과 그 동반성인 백색 왜성입니다. PSR J0348+0432 라는 펄서는 태양 질량의 거의 2배에 달하는 무거운 중성자별입니다. 


 이 중성자 별은 초당 25 회 정도 자전하면서 전자기파를 방출하므로 지구에서 전파 망원경으로 관측이 가능합니다. 그런데 이 중성자별의 동반성인 백색 왜성 역시 중성자성에 매우 가까운 위치에서 빠르게 자전해서 2.5 시간 마다 서로의 질량 중심을 주변으로 공전하고 있습니다. 이 독특한 조건으로 인해 과학자들은 일반 상대성 이론과 그 대안적인 이론의 진위 여부를 확인할 흔치 않은 기회를 얻었습니다. 


 일반 상대성 이론으로 부터 예상되기로 이 중성자 별에서 나오는 강력한 중력파는 두 천체의 공전에 영향을 미쳐 매우 미세하게나마 공전 속도를 느리게 만들 것입니다. 그 정도는 1 년에 800  만분의 1 초 정도지만 현재 지상에 있는 전파 망원경과 다른 망원경들의 협력을 통해 밝혀낼 수 있습니다. 


 이 펄서는 미국 국립 과학 재단의 그린 뱅크 망원경 (National Science Foundation's Green Bank Telescope (GBT) ) 로 처음 발견되었고 이후 아파치 포인트 망원경 (Apache Point telescope in New Mexico ) 와 칠레의 VLT (Very Large Telescope) 등으로 가시광 영역에서 관측이 되었습니다. 전파 망원경 관측은 푸에르토리코의 아레시보 망원경 ( Arecibo telescope in Puerto Rico) 과 독일의 에펠스베르크 망원경 (Effelsberg telescope in Germany ) 이 담당했습니다.       




(PSR J0348+0432 의 컨셉 아트  Superdense neutron star, emitting beams of radio waves as a pulsar, center, is closely paired with a compact white-dwarf star. Together, the two provide physicists with an unprecedented natural, cosmic "laboratory" for studying the nature of gravity. The grid background illustrates the distortions of spacetime caused by the gravitational effect of the two objects. According to relativistic theories of gravity, the binary system is subject to energy loss by gravitational waves
  (Credit: Antoniadis, et al.) ) 




(중력파 컨셉 영상. 중성자별은 사실 매우 작으며 영상과 사진의 크기는 실제 크기를 반영한 것이 아님  ) 


 그 결과는 결국 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 예측한 그대로였습니다. 자연이 만들어준 뜻밖의 극한적 실험 환경에서 일반 상대성 이론은 다시 검증을 통과했습니다. 만약 의외의 결과가 나왔다면 더 대단한 발견이 - 예를 들어 빛의 속도가 어느 방향에서나 동일함을 밝힌 마이컬슨 - 몰리 실험처럼 - 되었겠지만 중력파의 존재를 간접적으로 증명한 관측 결과라는 점도 무시할 수 없는 성과입니다. 이 내용은 Science 에 실렸습니다. 



 참고  


 Journal Reference:
  1. J. Antoniadis, P. C. C. Freire, N. Wex, T. M. Tauris, R. S. Lynch, M. H. van Kerkwijk, M. Kramer, C. Bassa, V. S. Dhillon, T. Driebe, J. W. T. Hessels, V. M. Kaspi, V. I. Kondratiev, N. Langer, T. R. Marsh, M. A. McLaughlin, T. T. Pennucci, S. M. Ransom, I. H. Stairs, J. van Leeuwen, J. P. W. Verbiest, D. G. Whelan. A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary. Science, 2013; 340 (6131): 1233232 DOI: 10.1126/science.1233232


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