기본 콘텐츠로 건너뛰기

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


댓글

이 블로그의 인기 게시물

렘 수면이 식이 패턴에 영향을 준다?

  ( Using a techniqu e called optogenetics, the activity of cells in the brain can be specifically suppressed with light pulses. Credit: Pascal Gugler / Insel Gruppe )  수면 중 빠른 안구 운동이 발생하는 렘 (REM) 수면은 아직도 그 기능이 완전히 밝혀지지 않았지만, 수면에서 매우 중요한 부분이라는 사실은 확실합니다. 렘 수면은 꿈과 관련이 깊으며 전체 수면 시간이 부족하지 않더라도 렘 수면 시간이 짧으면 다음날 집중력이 떨어지고 많이 피곤하게 됩니다. 아마도 렘 수면 시간 동안 여러 가지 기능과 작업이 이뤄짐을 시사하는 결과입니다.   베른 대학교 ( University of Bern )의 과학자들은 쥐를 이용한 동물 모델을 통해서 렘 수면이 식이 패턴에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구팀은 렘 수면이 외측 시상하부 ( lateral hypothalamus)에 영향을 주어 식욕을 조절할 수 있다는 증거를 발견했습니다. 외측 시상하부는 모든 포유류에서 볼 수 있는 시상하부의 작은 핵으로 식욕을 조절하는데 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 과거 과학자들은 렘 수면 동안 외측 시상하부가 활성화되는 것을 확인했지만, 렘 수면이 실제 식욕을 조절하는지에 대해서는 알지 못했습니다. 렘 수면 동안 외측 시상하부만 차단할 방법이 없었기 때문입니다.   연구팀은 빛으로 살아있는 세포를 조절하는 기술인 광유전학 (optogenetic) 방식으로 렘 수면 중인 쥐의 외측 시상하부 활동을 차단했습니다. 그 결과 쥐의 식욕이 저하되는 것을 확인할 수 있었습니다. 불과 하루 간 차단만으로도 4일 정도 효과가 지속될 정도로 식욕에 대한 영향이 컸습니다. 이는 렘 수면이 식욕을 적절하게 유지하는 데 도움을 준다는 점을 시사합니다.   사실 최근에 다이어트에 대한 수요가 폭발해서 ...

몸에 철이 많으면 조기 사망 위험도가 높다?

 철분은 인체에 반드시 필요한 미량 원소입니다. 헤모글로빈에 필수적인 물질이기 때문에 철분 부족은 흔히 빈혈을 부르며 반대로 피를 자꾸 잃는 경우에는 철분 부족 현상이 발생합니다. 하지만 철분 수치가 높다는 것은 반드시 좋은 의미는 아닙니다. 모든 일에는 적당한 수준이 있게 마련이고 철 역시 너무 많으면 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 철 대사에 문제가 생겨 철이 과다하게 축적되는 혈색소증 ( haemochromatosis ) 같은 드문 경우가 아니라도 과도한 철분 섭취나 수혈로 인한 철분 과잉은 건강에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 높은 철 농도가 수명에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다.   하버드 대학의 이야스 다글라스( Iyas Daghlas )와 임페리얼 칼리지 런던의 데펜더 길 ( Dipender Gill )은 체내 철 함유량에 영향을 미치는 유전적 변이와 수명의 관계를 조사했습니다. 연구팀은 48972명의 유전 정보와 혈중 철분 농도, 그리고 기대 수명의 60/90%에서 생존 확률을 조사했습니다. 그 결과 유전자로 예측한 혈중 철분 농도가 증가할수록 오래 생존할 가능성이 낮은 것으로 나타났습니다. 이것이 유전자 자체 때문인지 아니면 높은 혈중/체내 철 농도 때문인지는 명확하지 않지만, 높은 혈중 철 농도가 꼭 좋은 뜻이 아니라는 것을 시사하는 결과입니다.   연구팀은 이 데이터를 근거로 건강한 사람이 영양제나 종합 비타민제를 통해 과도한 철분을 섭취할 이유는 없다고 주장했습니다. 어쩌면 높은 철 농도가 조기 사망 위험도를 높일지도 모르기 때문입니다. 그러나 임산부나 빈혈 환자 등 진짜 철분이 필요한 사람들까지 철분 섭취를 꺼릴 필요가 없다는 점도 강조했습니다. 연구 내용은 정상보다 높은 혈중 철농도가 오래 유지되는 경우를 가정한 것으로 본래 철분 부족이 있는 사람을 대상으로 한 것이 아니기 때문입니다. 낮은 철분 농도와 빈혈이 건강에 미치는 악영향은 이미 잘 알려져 있기 때문에 철...

비타민 D - 우울증 예방 효과는 없다

   다른 비타민과 마찬가지로 비타민 D는 사람이 살아가는데 반드시 필요한 비타민입니다. 비타민 D가 부족한 경우 뼈에 심각한 문제가 생길 수 있습니다. 그런데 한 가지 더 흥미로운 사실은 여러 질병에서 비타민 D 부족이 관찰된다는 것입니다. 예를 들어 우울증의 경우에도 비타민 D 부족이 보고된 바 있습니다. 일부 연구자들은 햇빛을 받아 생성되는 비타민 D 부족이 계절성 우울증 장애 (seasonal affective disorder)의 원인일지 모른다고 생각해왔습니다.   하지만 하버드 의대와 메사추세스 종합 병원(MGH)의 연구팀은 비타민 D3 (cholecalciferol) 보충제를 사용한 대규모 임상 시험에서 비타민 D 복용이 우울증 예방에 특별한 효과가 없다는 사실을 확인했습니다. 이 연구는 종합 비타민제 혹은 단독으로 사용되는 비타민 D 보충제가 질병 예방에 효과가 있는지를 알아보기 위한 것으로 평균 67세의 건강한 성인 남녀 18,353명을 대상으로 진행되었습니다. 연구 참여자들은 두 그룹으로 나뉘어 콜레칼시페롤 (비타민 D3) 2000 IU 혹은 위약을 받아 5년간 복용했습니다. 우울증의 정도는 8-item Patient Health Questionnaire depression scale [PHQ-8]로 측정했습니다.   이 연구에서는 분명한 비타민 D 결핍증이 있는 경우는 제외했는데, 의학적으로 보충이 필요한 정도의 결핍이라면 치료를 하는 게 맞지 위약을 5년이나 주는 것은 윤리적으로 문제가 있기 때문입니다. 따라서 연구의 목표는 비타민이 부족하지 않은 건강한 사람에서 비타민 보충제가 혹시 우울증 예방에 효과가 있는지를 알아보려는 것입니다.   연구 결과 실험군과 대조군 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없었습니다. 우울증 발생률은 두 그룹에서 별로 차이가 없었으며 연구 시작과 종료 시점에 그룹 내에서도 별 차이가 없었습니다. 따라서 비타민 D가 부족하지 않...