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100년만에 중력파 검증에 성공하다



(An aerial view of the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detector in Livingston, Louisiana. LIGO has two detectors: one in Livingston and the other in Hanaford, Washington. LIGO is funded by NSF; Caltech and MIT conceived, built and operate the laboratories. Credit: LIGO Laboratory)


 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한 1915년 이후 과학자들은 이론에서 예언된 중력파를 검증하기 위해서 수많은 노력을 기울였습니다. 문제는 중력파가 시공간을 비트는 정도가 너무 미약해서 이를 검증하기가 어렵다는 것입니다. 


 이론적으로는 블랙홀처럼 거대한 질량을 가진 천체가 서로 충돌하는 사건이 발생하면 중력파의 변동이 검출될 수 있습니다. 하지만 이 경우에도 중력파의 크기는 매우 미미해서 극도로 정밀한 기기를 통해서도 검출이 매우 힘들었습니다. 이전에도 몇 차례 중력파로 의심되는 증거를 잡았지만, 사실 아닌 것으로 드러난 사례들이 있었죠. 




 중력파 검출을 위해서 막대한 예산을 들여 건설한 미국의 레이저 간섭계 중력파 검출기 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detector)는 현지 시각으로 2015년 9월 14일 오전 5시 51분 중력파로 생각되는 시공간의 뒤틀림을 측정하는데 성공했습니다. 


 이 장치는 동일한 장치를 루애지나 리빙스톤과 위싱턴 핸포드 두 장소에 3000km 정도 떨어져 설치해 중력파를 검증합니다. (물론 두 장소에 설치하므로써 오류를 막고 중력파의 방향을 가늠할 수 있음. 이번에는 7ms, 즉 0.007초 차이 를 발견했음 ) 




(동영상) 


(Two black holes colliding far out in space have produced gravity waves that have been detected by super-sensitive equipment on Earth for the very first time
(Credit: Caltech))



(A chart showing the signals that confirm the detection of gravity waves for the very first time
(Credit: Caltech))


 이번에 발견한 중력파의 기원은 13억 광년 떨어진 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 발생한 것입니다. 대략 태양 질량의 29배와 36배 정도 되는 질량의 블랙홀이 충돌하면서 강력한 중력파를 발생시켰고 LIGO가 그것을 검출한 것이죠. 이 블랙홀 충돌에서 발생되는 중력파 에너지는 매우 짧은 시간동안 관측 가능한 우주 전체의 에너지보다 50배나 밝았습니다. 대략 태양 질량의 3배 정도 되는 질량이 한순간에 중력파로 방출되었기 때문입니다.


 참고로 이번 충돌에서 나온 중력파는 대부분 충돌 직전 0.15초에 방출된 것이며 관측의 통계적 신뢰도는 표준편차 5.1 이상으로 우연히 가짜 신호가 잡혔을 가능성은 500만분의 1 정도입니다. 


 그러나 이렇게 강력한 중력파에도 불구하고 13억 광년이라는 거리를 지나면서 그 강도가 매우 약해지기 때문에 실제로 검출이 간단했던 것은 아닙니다. 위의 그래프에서 보듯이 사실 이 중력파의 진폭은 가장 클때도 10의 -21승 수준으로 1광년 길이로 환산하면 머리카락 굵기 정도의 시공간의 변화에 해당합니다. 


 이를 검출하기 위해서 LIGO는 4km에 달하는 긴 통로에 L 자 모양으로 생긴 레이저 간섭계를 설치해서 레이저 빔이 반사되어 돌아오는 경로를 측정합니다. 만약 우리가 있는 시공간이 중력파의 영향으로 비틀리면 그 진동을 검출하는 것이죠. LIGO의 정밀도는 10의 -19승 미터, 그러니까 양성자의 1만분의 1의 차이도 검출이 가능합니다. 


(A technician works on one of LIGO's optics. At each observatory, the 2 1/2-mile long L-shaped LIGO interferometer uses laser light split into two beams that travel back and forth down the arms. The beams are used to monitor the distance between mirrors precisely positioned at the ends of the arms. According to Einstein's theory, the distance between the mirrors will change when a gravitational wave passed by the detector. Credit: LIGO Laboratory) 


 이번 관측 결과를 통해서 과학자들은 이론적으로 예언된 중력파의 존재를 찾아낸 것은 물론이고 앞으로 천체 물리학 발전에서 중요한 관측 방법을 획득하게 되었습니다. 즉 거대 블랙홀의 충돌을 망원경이 아니라 중력파 검출기로 검증할 수 있게 된 것입니다. 


 우주에서 블랙홀의 충돌은 아주 흔한 일은 아니지만, 종종 발생할 수 있습니다. 이 때 발생하는 중력파를 검출할 수 있다면 은하 중심 거대 블랙홀의 충돌 같은 극적인 사건이 얼마나 흔하게 발생하고 어디에서 발생하는지 단서를 잡을 수 있습니다. 앞으로 관측 기술이 발전하면 중력파 천문학 같은 새로운 학문의 등장도 가능합니다.  


 중력파 검출은 이제 시작입니다. 앞으로 과학자들은 중력파를 통해서 많은 사실들을 검증하고 알아내게 될 것입니다. 


 참고 




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