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1. 개요
重 力 波 / gravitational wave, GW우주에서 중력파가 발생하는 모습을 설명한 영상 캡쳐: #
시공간이 출렁인 것이 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. 일반상대성이론에 따라 일그러진 시공간을 바탕으로 찾아낸 결과이기 때문에 절대시간과 절대공간을 가정하는 뉴턴 역학에서는 중력파의 존재 자체가 불가능하다.
중력파를 방출하는 계의 대표적인 예는 한쪽에 백색 왜성, 또는 중성자별이나 블랙홀을 포함한 쌍성계이다.
1905년에 앙리 푸앵카레가 처음으로 중력파 개념을 제안하였고, 1915년에 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론의 기반으로 그 존재를 처음으로 예측하였다. 하지만 분명하게 관측하기엔 당시의 기술적 한계에 비해 그 정도가 너무 미약하였기에 아인슈타인의 예언 이후 100년 동안 중력파는 직접적으로 검출되지 않고 간접적으로 확인되기만 했었다. 그러다 2015년 9월 14일, LIGO에서 중력파의 검출에 성공하며, 2016년 2월 11일 학계에 그 존재를 보고하며 입증해 내었다. 그리고 이 프로젝트에 참여한 물리학자 3명은 그에 대한 공로로 2017년 노벨물리학상을 수상하였다. 그 3명 중에는 영화 인터스텔라 제작에 자문한 것으로 유명한 천체물리학자 킵 손 교수도 포함되어 있다.
자세한 역사는 아래의 내용 참조.
2. 기본 개념
전자기학에서는 전하와 전류의 변화가 각각 전기장과 자기장의 변화를 만드며, 그 변화는 소위 광속으로 퍼져나간다. 이것이 서로 맞물리며 퍼져나가는 것이 전자기 복사(전자기파)이다. 고전 역학의 중력장에는 이에 대응되는 개념이 없어서 중력파는 예측되지 않는다. 하지만 상대성 이론(1905)에서 근본적으로 광속을 넘어 정보가 전파될 수 없다는 개념이 대두되면서 푸앵카레는 상대성 이론에 맞게 중력을 재정립할 때 중력파 개념이 도입되어야 한다고 주장하였다.(라플라스 연산자 => 달랑베르 연산자) 그러나 이는 우리가 흔히 아는 시공간과 관련된 중력파 개념은 당연히 아니었다.일반 상대성 이론에는 중력장의 변화 속도에 대한 개념이 잘 반영되어 있으며, 아인슈타인은 이것을 바탕으로, 1916년 중력장 방정식을 다음과 같이 파동 방정식으로 변형하여 중력 복사에 관한 이론을 제기하였다.
[math(\displaystyle \frac{\partial^2 \overline{h}_{\mu\nu}}{\partial t^2} - c^2\nabla^2 \overline{h}_{\mu\nu} = kT_{\mu\nu})][1]
이 식의 구조 상 (약한) 중력파의 전파 속도는 바로 광속이 나온다.
중력 복사 자체는 전자기파 개념이 있는 이상 매우 자연스러운 발상이다. 그러나 일반 상대성 이론에서는 중력을 시공간의 곡률으로 설명하기 때문에 중력파는 시공간 왜곡의 전파라는 새로운 개념으로 바뀐다.
중력파는 일반적으로 쌍성계에 큰 변화가 있을 때에 발생한다. 중력원의 변화가 구형 대칭적으로 이루어지면, 주변 중력장은 변화하지 않는다는 것이 잘 알려져 있다(버코프 정리). 따라서, 예를 들어 어느 (자전이 충분히 느린) 별이 중력 붕괴가 되어 블랙홀이 되면 중력파는 방출되지 않으며 (즉, 중력 붕괴는 조용히 이뤄진다.) 이 순간을 우리는 중력파로도, 전자기파로도 관측할 수 없다. 하지만 두 별(중성자별, 블랙홀)이 서로에 대해 회전할 경우 이는 구형 대칭이 아니기 때문에 그 변화가 중력파로 방출되며, 이렇게 쌍성계가 갖고 있던 에너지가 빠져나가면 두 별은 힘을 잃으면서 서로 점점 가까워지다 충돌하게 되며 이 과정에서 매우 강력한 중력파가 발생한다. 우리가 지금까지 관측한 중력파는 거의 이런 형태이다.
등가 원리에 의하면 중력은 어느 한 입자의 궤적을 직접 변형시키지 않는다. 그러나 중력은 공간의 왜곡을 통해 입자 서로에 대한 거리를 변화시킨다. 즉, 중력파를 통해 우리가 관측하는 것은 어느 한 입자가 받는 변화가 아니라 (공간 자체의 변화를 통한) 상대거리의 변화이다. 중력 파동 방정식을 분석해보면 중력파는 진행방향에 대해 수직인 면에서 입자 간 거리에 변화를 일으키며 패턴은 크게 다음 두 가지가 있다. (이름은 모양에 따른 것이다.)
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| + Polarized GW | x Polarized GW |
3. 검출
중력파의 검출은 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론으로 그 존재를 예측했을 때부터 물리학자들 사이에서 하나의 목표가 되었다. 시공간은 일반 상대성 이론에 따르면 질량을 가지는 물체에 의해서 생성되는 중력에 의해서 휘어져 있게 된다. 그런데, 우주 공간에서 아주 큰 질량을 가진 물체가 폭발이나 충돌했을 때처럼 급격하게 질량이 변화하면 당연히 그에 따른 중력도 변화하기 때문에 알베르트 아인슈타인은 이 과정에서 중력의 변화에 의한 시공간의 일렁임이 중력파라는 파동으로 퍼져나갈 것이라고 예측한 것이다.3.1. 최초의 검출 시도
중력파 검출 시도는 미국 해군 장교였던 조셉 웨버(Joseph Weber)가 냉각 장치를 사용하지 않고 길이 2미터, 지름 1미터의 알루미늄 원통으로 웨버 바(Weber bar)라고 불리는 장치를 만들어 중력파와의 공명 현상을 이용하여 검출하려 했던 것이 최초이다. 1955년~1956년 안식년을 이용하여 중력파 검출에 대한 시도를 하였고, 1960년대에 웨버 바를 개발하여 중력파 검출성공에 대한 내용을 1968년에 발표하였다.당시 웨버는 웨버 바로 중력파를 측정했다고 논문을 발표하였으나, 많은 학자들에 의해 재현에 실패하였고 또한 1972년 아폴로 17호에 장치를 실어보내 달 위에서도 관측을 시도하였으나 실패하였다. 웨버의 결과는 알루미늄 원자의 열운동에 의한 노이즈라는 의견과 웨버의 장치는 중력파를 검출하기에는 민감도가 턱없이 부족하다는[2] 의견이 제시되어 설득력을 잃어갔고, 그 후 웨버가 사용했던 소프트웨어에 문제점이 발견되어 결국 학계에 받아들여지지 않았다.
검출은 실패로 끝났지만 전혀 의미가 없었던 것은 아니다. 웨버의 시도는 그 당시 많은 학자들에게 영감을 주었다고 한다. 좀더 정확히 말하면, 많은 학자들이 웨버의 논문이 틀렸음을 주장하려다보니 자연스럽게 학계의 관심이 쏠리고, 이 덕분에 아이디어도 샘솟았다고 한다. 최초로 뛰어든 사람 중 한명이 스티븐 호킹이다. 호킹의 일생 유일한 중력파 논문이 1971년 나왔는데, 웨버의 주장을 이론적으로 계산하여 웨버의 주장이 틀렸음을 보인 논문이다. 지금의 중력파 검출 장치에 대한 아이디어도 그 당시 학생들에게 중력파에 대해 설명해주기 위해 웨버의 논문을 읽은 라이너 와이즈(LIGO를 제안한 3명 중 한 명)가 알루미늄 원통이 도저히 중력파와 공명할 수 있다고는 생각되지 않아[3] 다른 아이디어를 생각해 본 것이 계기가 되었다고 한다. 동료평가의 중요성은 이런 곳에서 나타난다.
웨버의 시도로 인해서 당연히 불가능하다고 생각하여 시도조차 하지 않았던 중력파 검출에 대한 인식이, 가능할 수도 있다는 것으로 바뀐 것이다. 그리고, 이후 연구개발된 LIGO((Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계를 이용한 중력파 관측 장치)에서 중력파 검출이 성공하며 그 의의를 인정받게 된 것이다.
3.2. 간접 증거의 발견
1970년대에 조세프 테일러와 러셀 헐스가 서로의 주변을 도는 중성자별 쌍을 발견하고, 이것의 궤도를 20-30년간 관측한 결과 해마다 궤도주기가 조금씩 줄어들며 그 반경 또한 그에 따라 줄어들고 있음을 발견하였다. 이 중성자별 쌍은 서로의 질량 중심을 돌며 서서히 가속되어 서로에게 다가가게 되는데 이 과정에서 에너지를 방출하며 중력파가 발생하게 된다.[4] 이 궤도 주기의 변화는 일반 상대성 이론으로 예측할 수 있는 중력파에 의한 에너지 손실에 의한 것과 정확히 일치하여 중력파의 존재를 간접적으로 입증했다. 이들은 "새로운 타입의 펄사 발견과 중력 연구의 새로운 가능성을 연 공로"로 1993년 노벨물리학상을 받았다.3.3. 간섭을 이용한 측정 장치의 이용
연구자들은 웨버의 중력파 검출 실패 이후, 중력파 측정 장치의 방식을 레이저 간섭계를 이용한 방식으로 바꿨다. 측정 장치의 원리는 마이컬슨 간섭계와 동일한데, 본래 완전히 결맞음 상태의 레이저를 세팅해 놓았다가 공간의 요동으로 인해 레이저가 진행하는 거리가 아주 조금 달라지면 그에 따라 간섭무늬의 변화가 생기게 하는 방식이다. 이러한 방식을 사용하여 연구자들은 원자핵의 지름 정도의 아주 작은 흔들림도 측정할 수 있게 되었다.2002년에는 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계를 이용한 중력파 관측 장치)가 작동을 시작하였고, 2005년 11월에는 GEO 600이, 2007년 5월에는 VIRGO가 건설되었다. 2020년에는 KAGRA가 건설되었다.
3.4. 검출 성공(GW150914)
(4분 03초부터)
"Ladies and gentlemen. We have detected gravitational waves. We did it."
"신사 숙녀 여러분, 우리가 중력파를 검출해 냈습니다. 우리가 해냈습니다."[5]
— 데이비드 라이츠(David Reitze), 고급 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 실험 책임자
"Ladies and gentlemen. We have detected gravitational waves. We did it."
"신사 숙녀 여러분, 우리가 중력파를 검출해 냈습니다. 우리가 해냈습니다."[5]
— 데이비드 라이츠(David Reitze), 고급 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 실험 책임자
"It's like how X-ray changed medicine."
"X-ray의 발견이 의학 분야를 어떻게 변화시켰는지 생각해 보세요."
ㅡ 사볼 마카(Szabolcs Marka), LIGO 연구 참여 컬럼비아 대학교 교수
"X-ray의 발견이 의학 분야를 어떻게 변화시켰는지 생각해 보세요."
ㅡ 사볼 마카(Szabolcs Marka), LIGO 연구 참여 컬럼비아 대학교 교수
"Albert Einstein was right again."
"다시 한번 알베르트 아인슈타인이 옳았습니다."
— 데이비드 뮈어(David Muir), ABC WORLD NEWS TONIGHT 진행자
발표 전문"다시 한번 알베르트 아인슈타인이 옳았습니다."
— 데이비드 뮈어(David Muir), ABC WORLD NEWS TONIGHT 진행자
미국 국립과학재단(NSF)은 한국 시각 2016년 2월 12일 오전 12시 30분, 워싱턴 DC 내셔널프레스클럽에서 기자회견을 열어 미국, 독일, 이탈리아, 일본 등 16개국 80여 개 연구기관 1,000여 명의 연구진이 참여한 '고급 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 과학 협력단'이 중력파 검출에 성공했다고 밝혔다.
같은 시각 유럽 연합(EU)의 중력파 검출 연구단인 '버고(VIRGO)'도 이탈리아 마체라타에 위치한 버고 관찰소에서 이 같은 내용을 발표했다.[6]
연구진에 따르면 이번에 관측한 중력파는 지구로부터 13억 광년 떨어진 곳에서 쌍성계를 이루고 있던 두 개의 블랙홀이 충돌해 새로운 블랙홀이 되는 과정에서 생성된 것이다. 블랙홀의 질량은 각각 태양의 36배, 29배이며, 하나로 결합하여 태양보다 62배 무거운 블랙홀이 됐다. 이때 태양 3개분의 질량이 에너지로 전환되면서 발생한 중력파[7][8][9]가 빛의 속도로 지구를 스쳐 지나갔는데, 이 순간을 LIGO가 놓치지 않고 잡아낸 것이다. 연구팀은 "5.1시그마[10]보다 정밀한 수준의 검출"이었다고 설명했다. 뉴스 기사 보통 5시그마 정도를 인정의 기준으로 생각한다.
또 첫 신호를 검출하는 동안(2016년 1월경에 검출 종료)에 세 개의 다른 신호를 더 검출하였다고 한다.
이번 두 번째 중력파는 각각 태양 질량의 14배와 8배인 두 블랙홀이 합병해 빠르게 회전하는 21배의 태양 질량의 블랙홀이 만들어지는 과정에서 발생한 것으로 루이지애나 주립대학 물리학과 가브리엘라 곤잘레즈 교수는 "블랙홀의 질량이 최초 중력파를 낸 것보다 가벼워서 검출기의 민감한 주파수 대역에서 더 오랜 시간인 1초 정도 머물렀다"며 "우주에 얼마나 다양한 블랙홀이 존재하는지 조사를 시작할 수 있게 된 것"이라고 평가했다. 더 큰 질량의 블랙홀 충돌이었던 1차 검출에서는 중력파 신호가 불과 0.25초 동안만 지속됐다.
#[11]
질량이 큰 두 천체(블랙홀, 중성자별 등)가 있고 어쩌다보니 서로에 대해 공전을 하게 된 상황이라고 생각해보자.[12] 서로에게 중력을 행사하고 두 천체의 질량중심(그림의 빨간 십자가)를 중심으로 공전을 하게 된다. 고전역학적 이체문제에서는 서로를 공전하는 두 물체의 궤도는 영원히 바꾸지 않아야 하지만, 실제로는 두 천체의 가속 운동에서 나오는 중력파의 물결이 주변으로 퍼져 나가고 있기 때문에 총 에너지는 차츰 줄어들어 두 천체의 궤도는 점점 가까워지다가 결국 합병이 이루어지게 된다.
위 그림의 맨 윗 줄인 공이 회전하는 모습은 두 천체(논문에서는 두 블랙홀)가 서로 가까워지다가 합쳐지는 과정을 그림으로 나타낸 장면이다. 거리가 가까워지면서 공전 반지름이 작아지고 각 운동량의 보존을 위해서 속도는 점점 빨라진다. 그러다가 두 천체가 매우 가까이 있을 때에는 매우 빠른 속도로 공전을 하게 된다. 이후 두 천체가 하나로 합쳐지고, 합쳐진 천체는 더 큰 질량의 하나의 천체가 된다.
두 번째 줄은 서로에 대해 공전하는 천체 때문에 생겨나는 중력파로 인한 공간 변형을 나타내는 그래프이다. 세로 축은 변형률이다. 두 천체가 서로에 대해 공전을 함에 따라 중력파가 생겨 공간이 출렁이기 시작하고[13] 그 출렁임의 강도는 두 천체가 얼마나 가까이 있는지, 얼마나 빠르게 움직이는지에 따라 변화한다. 두 천체가 가까이 접근함에 따라 공전시간이 줄어들게 되고 중력파의 주파수는 점점 커진다.[14] 그러다가 두 천체가 합쳐지게 되면 더 이상 중력파는 생성되지 않는다.[15]
세 번째 줄은 두 천체의 움직임을 나타낸 그래프이다. 검은 색은 블랙홀 사이의 거리, 녹색은 블랙홀의 상대속도를 나타낸다. 두 블랙홀이 시간이 지남에 따라 점점 가까워지고 빨라지는 것을 알 수 있는데 이는 위에서 설명한 내용과 일치한다. 그러다가 하나의 천체로 합쳐진 이후에는 상대 속도나 거리가 없으므로 그래프가 더 이상 존재하지 않는다.
측정방법은 간단히 말해서 마이컬슨 간섭계를 무지막지하게 크게 만들어, 중력파가 간섭계에 영향을 끼칠 경우 나타나는 레이저의 미세한 변화를 서로 다른 장소에서 측정하는 방식으로 이루어졌다.
서로 다른 두 장소의 검출기에서 2015년 9월 14일에 검출된 GW150914. 이론적으로 예상되는 값과 비교한 사진이다.
이 프로젝트에 참여한 오정근 교수가 2016년 6월 22일 서울의 한 학교에서 강의한 내용에 따르면, 이 중력파를 검출한 사건은 매우 극적이었다. 사실 LIGO는 시설이 완공되고 나서 대대적인 업그레이드 작업이 있었다. 그런데 미국이 이를 혼자 하려니 힘들어서 전 세계랑 손잡고 라이고의 업그레이드를 실시했는데(이를 Advanced LIGO라고 한다) 업그레이드와 조립을 마치고 작동을 시작한 뒤 30분만에 검출된 것이었다.
해당 중력파는 지금으로부터 약 13~14억 년 전에 두 블랙홀이 충돌하면서 생성되었는데[16] 이때 발생한 중력파가 지구를 통과하기 약 30분 전쯤, 대략 목성궤도를 통과할 쯤에 LIGO가 가동된 것이다. 사실 14억 년이라는 천문학적인 시간에 비하면 30분은 '찰나'라는 표현조차도 너무 길다고 느껴질 정도의 시간이다. 비유하자면 지구와 달 사이 거리에서 작은 세균 단 하나의 길이가 차지하는 비율과 비슷하다.[17] 그야말로 극적인 발견이었다.
또 같은 해 12월 26일에도 검출에 성공했는데(GW151226) 이 발견에 얽힌 사연은 더 가관인 것이... 원래는 수일 전에 실험을 멈추기로 예정되어 있었는데 그곳 사람들이 "야 어차피 곧 크리스마스고 휴일엔 할 일도 없는데 그냥 계속 작동시켜 놔보자!" 그래서 가동을 시켜놨는데 정말 또 검출됐다.
3.5. 중력파 검출이 힘들었던 이유
모형으로써 설명하자면 아래 그림과 같다.[18]전자기파는 시험전하를 이용하여 전기력을 측정함으로써 알아낼 수 있다. 그리고 혹시 검출되는 힘이 미약하다 싶으면 시험전하의 전하량을 늘려서 전기력을 더 키워서 손쉽게 해결할 수 있다. 꼭 관측자 기준 좌표계가 아니더라도, 전하량이 서로 다른 두 시험전하 사이의 거리의 변화를 이용하여 검출할 수 있다. 또한 전자기파는 전자의 움직임으로 일어나는 현상인 만큼 관측자는 전자의 운동과 상관없이 그대로 있기 때문에 쉽게 검출할 수 있다.
허나 중력파는 이야기가 달라진다. 먼저 '중력'은 시공간 자체의 구부러짐으로 설명된다. 이는 다시 말하자면 중력파는 시공간 자체의 기하학적 요동이며, 관측자도 중력파를 따라 같이 흔들린다. 결국 관측자 자신은 중력파를 느낄 수 없다. 더욱이 중력파로 인한 가속운동은 중력파가 동일할 때 물체의 질량에 관계없이 모두 똑같이 나타난다. 이 때문에 위 그림에서 짙은 회색이나 옅은 회색이나 다 똑같이 요동친다. 관측자 기준 변위를 측정하든 두 물체 사이의 거리 변화로 측정하든 간에 위치·거리 변화의 상쇄로 인해 측정 난이도가 극한에 다다른다.
해결책은 바로 위치에 따른 중력파의 차이를 검출하는 것이다. 기조력은 위치별로 중력이 달라져서 발생하는 힘이다. 중력파의 차이도 마찬가지. 충분히 긴 막대 모양의 측정장치를 준비하여 막대 양 끝의 기조력을 감지하거나 혹은 두 시험장치의 거리를 충분히 멀리 떨어뜨려 둘 사이의 거리 변화를 감지한다. 비용상으로는 후자의 방식이 효율적이다. 앞서 소개한 LIGO도 거울 사이의 거리가 4km에 이른다.[19] 요약하자면 위치에 따른 중력파의 위상차를 측정이 가능할 정도로 확보하는 것이 해결책의 요지이다.[20][21]
여기서 끝이 아니다. 레이저 간섭을 이용하여 검출하는 LIGO에서 중력파가 아니더라도 빛의 간섭을 흔드는 요인이 얼마든지 있다. 사실 중력파는 까마득히 멀리 떨어진 천체에서 퍼져나와 그중 일부가 지구 전역으로 도달하는 양상이기 때문에, 지구 어디서 측정하나 거의 동시에 거의 같은 흔들림이 관측되어야 한다. 그래서 미국 내에서도 루이지애나 주와 워싱턴 주에 각각 배치한 것. 두 관측소 사이의 거리는 약 3천km 정도이다. 관측소 사이에 3천km 거리를 둔 이유는 중력파의 방향을 알기위함이다. 거의 같은 중력파가 A와 B를 통과할 때 생기는 시간의 오차를 계산해 어느 방향에서 왔는가를 계산한다. 이때, 상당한 노이즈 대책이 필요한데, 대표적인 것이 진공관과 낮은 온도이다. 실제로 온도 노이즈를 줄이기 위해서 반사경으로 사파이어를 사용한다.
더 정확한 중력파 관측을 위해서는 관측소와 반사경 사이의 거리를 더 멀리 떨어뜨려 놔야 하는데, 지표면에서는 그 긴 거리에서 '진공과 극저온'을 유지하는 것이 어렵다. 그래서 나온 방안이 중력파 관측 위성을 우주에 쏘아 올리는 것이다. LISA 계획은 3대의 중력파 관측 위성을 쏘아 올려, 관측소와 거울 사이의 거리를 250km까지 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
측정 방식에 기인한 다른 특징으로, 전자기파를 검출할 때는 전자기파의 에너지 플럭스를 측정하고 이는 진폭의 제곱에 비례하는 양이기 때문에 신호의 세기가 거리의 제곱에 비례해 약해지지만, 중력파는 측정하는 물리량이 진폭이기 때문에 거리에 비례해 약해진다. 달리 표현하자면, 전자기파는 3배 멀리 떨어진 파원의 신호를 검출하려면 감도를 9배 키워야 하지만 중력파는 감도를 3배만 올려도 검출할 수 있다. 따라서 중력파는 검출기의 감도 개선을 통한 신호 검출 빈도 향상의 여지가 전자기파 관측에 비해 더 크다는 특징이 있다.
4. 중력자와의 관계
중력파는 중력자가 아니다. 파동이 양자역학적 교환자 관계를 따르도록 설정하면 파동의 에너지가 특정 에너지의 배수배로 정해지는데 이 최소값이 양자이다. 전자기파의 양자가 광자이고, 중력파의 양자가 중력자이다. 즉 모든 에너지는 파동의 형태를 취하고 있고, 파동의 특이점이 '입자'인 것이다.힘은 이런 식으로 정의되는 매개입자를 주고 받으면서 상호작용을 한다. 전자기력은 광자를, 약한 상호작용은 W-Z보손을, 강한 상호작용은 글루온 같은 입자를 주고받는다. 우주에 존재하는 네 가지의 힘 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용, 중력 중에서 중력만 상호작용 입자의 존재 여부를 밝혀내지 못했다. 중력의 상호작용 입자를 학계에서는 중력자라고 지칭하고 있다. 중력자가 아직까지 발견되지 않은 이유는, 중력은 약한 힘이기 때문이다. 중력자가 존재한다 해도 그 미미한 힘을 검출하기가 쉽지 않다.
중력파는 중력이 아니다. 먼저 중력파는 다른 물체와 거의 상호작용을 하지 않는다. 중력파의 발견 과정에서 얼마나 정밀한 민감도를 가진 장비가 필요했는지를 상기해보자. 발견조차 이렇게 어려웠으니 인간이 감지할 수 있을 만큼의 상호작용은 생각하기 힘들다. 하지만 우리 주변의 모든 사물들은 분명히 중력의 영향을 받고 있으며 인간 역시 중력을 감지할 수 있다. 중력파가 중력의 역할을 한다면, 충분히 감지할 수 있는 상호작용을 해야 한다.
그리고 중력파는 단순히 진동현상에 가깝다보니 중력의 매개체로 보기 어렵다. 중력파는 어떤 물체가 운동하면서 발생한 에너지가 공간을 진동시킨 것이다. 침대에 볼링공을 떨어뜨릴 때 침대 표면이 진동하는 것을 떠올리면 이해하기 쉽다. 볼링공의 낙하에너지가 침대 표면의 진동이라는 형태로 나타났다고 해서 그것이 에너지 전달의 매개체라고 보기엔 힘들다. 다른 장소에서는 다른 형태가 될 수도 있었는데 침대 위였기 때문에 침대 표면의 진동이라는 형태로 나타났을 뿐이다.
이와 같이 중력파는 중력 그 자체라 할 수 없다.
중력파 속에서 통해 중력자를 탐지할 수 있다는 이론이 있다. 바로 여분 차원인데, 여분 차원에서는 미시 세계에서 중력의 힘과 그 영향력이 판이하게 다르므로, 중력파가 상호작용을 거의 하지 않는다는 특징을 뒤집을 수 있다. 실제 관측 결과를 가지고 여분 차원을 적용해서 설명한 연구 결과도 있다.
5. 응용분야
몸을 열어보지 않고도 몸 속을 관찰할 할 수 있는 X선의 발견에 비유되곤 한다. 기존에는 빛과 전자기파를 통해 우주를 '보았'으나 중력파를 사용하면 우주를 '들을' 수 있다[22]. 전자파 관측은 직진성 때문에 방향까지 특정하기 쉽지만 중력파는 전방위 확장성 때문에 3차원적 방향을 특정하기 위해서는 최소한 네 점의 독립된 관측지점이 있어야 한다. 대신 역으로 생각하면 어느 방향에서 날아오든 중력파를 캐치할 수 있다는 것이 특징.물질과 거의 간섭하지 않는 중력파의 특성을 응용하여 거대 항성의 내부 구조나 심지어 블랙홀조차 내부를 간접적으로 관찰할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 초신성 폭발 시에는 중력파가 반드시 발생하므로 이를 관측할 수도 있다. 또한 빅뱅 직후에 발생한 중력파의 여진을 탐지해낼 가능성도 있다.[23] 빅뱅 직후의 우주를 관측하고 연구하기 위한 도구가 하나 더 생긴 셈.
이론물리학 연구에 점재적으로 응용될 수 있는 분야를 구체적으로 거론해보자면,
- 상대성 이론의 확실한 검증과 이론의 한계 연구[24]
- 빅뱅 직후의 우주 탐구
- 블랙홀에 대한 직접적인 관측
- 초신성 폭발 직전과 직후의 이미지를 찍을 수 있고 심지어는 매우 많은 프레임으로 사진촬영하여 동영상으로 만들 수도 있을 것이다.[25]
- 중성자별의 내부 구성 및 극한 환경에서의 물질 현상 간접 분석[26] 등이다. 몇 개 안 되어 보이지만 매우 굵직굵직한 연구분야들이라 어마어마한 연구적용이 가능하다.
중력파의 도달 범위 역시 굉장히 넓어서 응용 가능성이 높다. 이번에 중력파를 검출해낸 쌍블랙홀의 경우 지구로부터 13억 광년 떨어져 있었다. 앞으로 더 강한 탐지기를 개발하여 더 멀리, 더 정확하게 관측이 가능할 것이다. 특히 이번 발견 덕분에 아인슈타인 망원경(간섭계 관측소 프로젝트 이름)의 업그레이드 계획이 탄력을 받을 전망이다.
심지어 유럽 우주국(ESA)은 직접 우주에 중력파 관측기를 발사할 예정이다. eLISA(Evolved Laser Interferometer Space Antenna, 진보형 레이저 간섭계 우주 안테나) 프로젝트라고 부르며, 지구 궤도를 따라 태양을 공전하는 세 개의 관측기를 발사해 정삼각형 모양으로 배치하는 것이다. 이 정삼각형의 각 변은 100만 킬로미터이며,[27] 극도로 미세한 중력파까지도 탐지하게 된다. 발사계획연도는 2034년.[28]
지진이 일어날 때 발생하는 중력파 신호로 지진을 기존의 방법보다 더 빨리 탐지할 수 있을지도 모른다고 한다. #
또한 통신 분야에서도 응용할 수 있다. 전자기파 통신이 어려운 곳에 중력파 통신을 적용하면 된다. 물질과 상호작용을 거의 하지 않는 중력파는 뭐든지 투과해버리기 때문에 장소에 구애받지 않는 꿈의 통신기술이 될 것이다. 과학동아 1986년 08월호, 제3의 통신 중력파, 전파통신의 불가능을 해결한다. 물론 전자기파 등으로 통신할 수 없어 중력파의 힘을 빌어야 하는 통신 대상은 암흑성운 등으로 가려진 최소 수십, 수백 광년 너머의 지점이 될 것이고, 중력파를 이용한 통신 시스템을 구축하기 위해서는 항성 수준의 질량체를 원하는 통신정보가 담긴 주파수로 흔들 수 있는 기술이 필요할 것이다. 그런 장소와 통신을 해야 할 필요가 생기는 것도, 통신을 위해 태양을 쥐고 초당 최소 수천, 최대 수십억 번씩 흔들 수 있는 기술과 에너지를 활용하는 것도 현재로서는 엄청난 미래의 이야기다. 21세기 현대 인류가 모두 머리를 맞대고 최선의 상상력을 동원해서 가장 발전되고 강력한 우주문명을 상상하더라도, 그런 우주문명과 중력파 통신을 활용하는 문명은 마치 흰개미 군락과 21세기의 인류문명 전체 사이의 간극보다 큰 간극을 가질 것이다.
6. 이후 관측기록
6.1. 중성자별 충돌(GW170817)[29]
2017년 8월 17일 LIGO에서 새로운 중력파가 관측되었으며, 약 1.7초 후 페르미 감마선 관측 망원경에서 짧은 감마선 폭발이 감지되었다. 그러나 이탈리아에서 새롭게 가동을 시작한 VIRGO 관측기는 LIGO에 비해 더욱 더 정밀한 성능을 지녔음에도 불구하고 중력파를 검출하지 못하였다. 이를 통해 중력파가 VIRGO의 사각지대로 들어왔음을 알 수 있었다. 이 정보들을 토대로 관측 기기들의 측정가능 지역과 감마선이 감지된 영역을 고려하여 과학자들은 이 대상 중력파원이 있을 만한 후보 영역을 설정했다.이번에 발견된 중력파는 이전의 관측 결과와는 다르게 매우 긴 지속시간(약 100초)을 가지고 있었으며, 이로부터 이번 신호는 중성자별의 충돌로서 발생했을 것이라는 추측이 이루어졌다. 단순히 중력파만 발생하고 끝나는 블랙홀 충돌과는 달리 중성자별의 충돌 현상은 반드시 '킬로노바'라 불리는 광학적 현상을 동반한다고 알려져 있었기 때문에[30] 진원지를 찾기 위한 후속 관측이 시작되었다. 대상의 정확한 위치를 알 수 없는 상황에서 최적의 관측 시기가 지나가버릴 가능성이 있었던지라 LIGO 및 페르미 망원경의 과학자들은 전 세계의 천문대에 협조 요청을 보냈고, 가능한 모든 망원경을 총동원하여 중력파원을 찾기 위한 유례 없는 국제적인 공조 작전이 이루어졌다.
그리고 약 11시간 후 마침내 은하 NGC4993에서 밝은 빛이 나오는 것을 광학 망원경 관측을 통해 직접적으로 확인 할 수 있었다. 두 개의 중성자성이 충돌하여 에너지를 내뿜는 과정인 킬로노바는 현재까지 이론적으로만 존재하던 현상으로, 최초 관측에 중력파가 큰 기여를 한 셈이 되었다. 이로써 인류는 같은 현상을 중력파와 전자기파로 관측한 최초의 기록을 남기게 되었다. 뿐만 아니라 스펙트럼 분석결과 금, 납 등 매우 무거운 원소가 확인됨에 따라 이러한 킬로노바가 우주에 있는 무거운 원소를 만드는 메커니즘 중 하나라는 것이 확인 되었다.
6.2. 편심거성 충돌(GW190521)
6.3. 회전하는 연성(GW200129)
6.4. 배경 중력파
배경 중력파(Gravitational Wave Background)에 대한 신뢰도가 높은 관측 증거가 2023년 6월 최초로 NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves)에 의해 발표되었다.[31] 이러한 종류의 중력파는 진동수가 매우 낮아 일반적인 크기의 간섭계로는 관측이 불가능하여 우주에 흩어진 펄사(Pulsar)들 간의 거리 변화를 이용한다(PTA; Pulsar Timing Array). 거리가 중력파에 의해 진동하면서 신호가 도달하는 시간이 미세하게 달라지는 것을 이용한 것이다. NANOGrav는 15년 간 67개의 펄사를 추적관찰하여 이러한 결과를 얻었으며, 그 패턴은 이러한 중력파에서 예측되는 Hellings–Downs curve를 잘 따른다. 이 중력파의 근원에 대해서는 추가적인 관측 증거가 필요하지만 대체적으로 초대질량 블랙홀 쌍성계에 의한 것으로 추정되고 있다.7. 기타
- 인용된 논문의 첫 번째와 두 번째에 아인슈타인 이름이 들어가있다.
- 총 14명의 국내기관 소속 연구자들이 이 연구에 참여하여 공동저자로 등록되어 있다. 참여한 국내 기관으로는 서울대, 연세대[32], 한양대, 부산대, 국가수리과학연구소, 한국과학기술정보연구원이 있다. 한국인 연구자들로 확장하면 국내 연구자들 외에도 해외연구기관소속인 한국인 연구자들도 참여하고 있어 그 수는 더 많을 것으로 보인다.
- 중력파 연구에 참여한 국내 연구진의 인터뷰1, 국내 연구진의 인터뷰2를 보면 중력파연구가 국내에서 얼마나 소외된 분야인지 알 수 있다. 척박한 환경에도 불구하고 중력파에 관심있는 국내과학자들 20여 명이 자발적으로 한국중력파연구협력단(KGWG)을 만들고 20여 명의 인력만으로 2009년부터 LIGO프로젝트에 참여하였다. 대형프로젝트로 전 세계에서 1000여 명이 참여하고 있다지만 참여가 그리 간단한 것이 아니다. 한국 연구진도 관련연구원 500여 명 앞에서 계획을 발표하고 동의를 얻은 후에야 참여가 가능했다고 한다. 대한민국은 중력파 발견에 한국에서도 중력파 검출기의 독자적인 모델을 제안했다고 한다. 소그로(SOGRO)라 불리는 검출기로 라이고가 탐지하지 못하는 영역의 중력파원을 목표로 하는 차세대 검출기라고... IBS에 제안서를 냈는데 안 됐다고 했다. "더 이상 고려하지 않겠단 편지"만 보냈다고 한다. 해당기사 다만 2019년에 다시 제안서를 낸다고 한다. #
- 2017 연세대 논술 물리에서 라이고가 그대로 나왔다. 1번 문항은 쌍성계를 이루어 운동하던 두 천체가 하나로 합쳐져 질량결손이 일어났을 때 발산하는 총 에너지를 구하는 문제였으며, 3번 문항에서 라이고의 두 거울이 진동할 때 광 검출기에서 나타나는 신호의 파형을 물었다.
- 중력파 발견 보도 과정에서 연합뉴스가 병크를 저지르기도 했다. 엠바고를 멋대로 깨고 세계 최초로 이를 보도해 버린 것. 많은 항의가 뒤따랐고, 연합뉴스는 전문 취소했다. 해당 기사
- 살아 생전에 발견하지 못할 거라 생각하던 사람이 많았던지라 뉴스를 보고 혼란에 빠진 사람이 많았다.
- 추가적인 중력파 대상 초대질량 블랙홀 쌍성[33]이 보고되었다. SDSS j1430+2303 라 불리는 은하계에 두 블랙홀이 곧 충돌할 것이라는 연구가 진행중으로 알려졌다.[34]
8. 관련 문서
[1]
[math(\overline{h}_{\mu\nu})]는 평평한 시공간 위의 (작은) 중력장을 나타낸다.
[2]
우리 은하 내의 태양과 가까운 영역에서 일어나는
펄사의 병합을 검출할 수 있는 정도의 민감도였는데, 그런 현상의 빈도는 극히 낮아 검출을 위해서는 우주론적 거리에서 발생하는 사건까지 검출할 정도의 높은 민감도가 필요하다.
[3]
공명 자체는 가능하지만 그 공명 주파수가 높아 블랙홀 간 병합에 의한 중력파는 검출이 불가능하고, 민감도가 낮아 가까운 거리에서 발생한 사건만 검출할 수 있다. 웨버의 시도 이후 저온 기술을 이용하거나 검출기의 형상을 바꾸는 등의 방식으로 웨버가 사용한 검출기를 개량하는 연구가 여러 연구진에 의해 시도되었지만, 어느 것도 중력파 검출에 성공하지는 못했다.
[4]
이해가 어렵다면
러더퍼드의 원자모형을 깔 때 쓰이는 논리를 적용해 보면 쉽다. 그래도 어려우면 아래 그림을 보라. 원자핵을 중심으로 전자가 돌고 있다면 전자는 끊임없이 가속한다.(방향이 바뀌는 것도 가속이다) 문제는 전자는 가속운동을 하게 되면 에너지(즉 빛. 이걸 써먹는 게
포항가속기연구소다)를 방출하게 되는데 방출한 에너지만큼 전자의 운동에너지는 감소하여 점차 핵으로 빨려들어가는 불안정한 모델이 된다. 다시 중성자별 쌍에 적용하면, 두 중성자가 돌고있는 주기 및 반경이 줄어든다는 것은 무언가에 의해 운동에너지를 잃고 있다는 것이다. 러더퍼드의 모델과 비교하면 이게 중력에 의한 파동이라는 걸 직관적으로 이해가능하다. ![파일:external/blogfiles2.naver.net/%BC%F6%BC%D2%BF%F8%C0%DA_%B8%F0%C7%FC_miraeedu21.jpg]()
[5]
이런 말을 하는 것도 당연하다. 아인슈타인이
일반 상대성 이론으로 주장한 것을 정확히 100년 만에 발견했으니.
편집본
공식 방송. 현재는 스트리밍된 버전을 볼 수 있다.
[6]
그러나 버고 간섭계는 LIGO의 검출 당일에 업그레이드 작업에 들어가 있었으므로 결과적으로 중력파를 검출하진 못했다.
[7]
이때 방출된 에너지의 양은 관측 가능한 우주에 있는 모든 별이 방출하는 에너지의 합의 10배, 또는 킵 손의 말에 의하면 50배 이상에 해당하는 3.6×1049 W (36 뒤에 0이 48개 붙은 값이다). 가장 밝은 초신성이 태양의 방출 에너지(3.846×1026 W)의 5700억 배에 해당하는 에너지를 방출하고, 가장 밝은 은하가 태양 350조 개와 맞먹는 에너지를 방출한다는 것을 감안하면 엄청나게 크다. 중요한 것은, 관측에 따르면 이러한 밀집성 간의 병합이 우주에서 매우 희귀한 편이긴 하지만 앞서 말한 것들보다 드문 것이 아니다. 또 이만큼의 엄청난 에너지가 방출되었음에도 불구하고 중력파가 이제서야 직접적으로 검출되었다는 것은 그만큼 중력파 검출이 어려웠음을 알 수 있다. 이게 LIGO의 재공사 이후 가동 1년도 안 돼서 검출되긴 했지만...
[8]
에너지 방출시간은 0.0149초=14.9ms=67Hz의 짧은 순간이며, 태양3개가 눈깜짝할 사이에 통채로 에너지로 변환된 것이다.
[9]
13억년을 달려온 중력파가 지구 단면을 덮치던 2015년 9월14일 오후 6시 51분(한국시간) 단위면적(1m^2)에 가해진 중력파에너지는 0.01895W 정도로 계산된다.
[10]
중력파로 인한 현상이 아닌 우연의 일치일 확률이 약 590만분의 1이라는 뜻이다. 또는 신뢰수준 99.99994%.
[11]
영문 위키피디아
[12]
사실 두 천체가, 그것도 질량이 태양의 수십 배에 달하는 거대한 블랙홀 2체가 병합할 정도로 가깝게 공전을 하게 된 사연이 무엇인지도 흥미로운 주제 중 하나다. 과거 쌍성계였던 두 초거성이 진화하여 이중 블랙홀로 재탄생했을 가능성이 가장 높지만, 항성으로부터 진화했다고 보기에는 두 블랙홀의 질량이 상당히 큰 편이다. 다른 가설로는 삼체 상호작용에 의해 포획이 일어났다는 가설과, 원래 중력으로 묶여있지 않던 두 블랙홀이 서로 매우 가까이 접근할 때 궤적이 변하면서 생기는 중력파 방출에 의해 운동에너지를 잃으면서 포획이 일어날 수 있다는 가설이 존재한다.
[13]
출렁인다는 것은 공간 자체가 출렁인다는 의미이다. 공간이 출렁임에 따라서 공간의 어떤 축으로는 늘어나고 다른 축으로는 줄어들 수 있다. 그 늘어나고 줄어드는 것을 변형율이라고 한다.
[14]
그래프가 점점 조밀해지는 것을 볼 수 있다. 이를 중력파의 주파수가 커졌다고 표현했다.
[15]
서로에 대한 공전으로 인해 생기는 중력파는 더이상 생겨나지 않는다는 의미이다.
[16]
이때 지구는 공룡도 없었던, 이제 막 생명이 태동할 때인
선캄브리아대였다!
[17]
385,000 km에서 1.5 μm의 비율이다. 정확한 산식은 [math(\frac{30}{(14억년 × 365.2425일 × 1440분)})].
[18]
아래 그림은 측정 대상이 중력파일 경우와 전자기파일 경우를 각각 간략히 표현한 것이다. 중력파 검출에 레이저(전자기파) 간섭계를 사용한 것과는 직접적으로 아무 관계 없으니 오해의 여지에 주의.
[19]
이는
마이컬슨-몰리 실험 장치의 거울 간 거리의 수백 배에 이른다. 거기에 거울로 레이저가 계속 반사되게 해 실질적인 길이는 400km에 이른다!
[20]
실제의 LIGO검출기는 레이저를 90도 각도로 이루어진 최대한 자유롭게 공간에 걸어놓은 두 거울에 각각 비춰 반사되는 레이저를 하나로 합치게 하여 간섭현상을 일으키는데, 만약 중력파로 기조력이 바뀌어 각 거울에서 나오는 빛의 이동거리가 바뀐다면(거울과 거울의 거리의 이야기가 아니다.) 하나로 모은 간섭무늬에 변화가 생기고(명암) 그것을 검출하는 것이다. 빛의 이동거리가 바뀐다는 건 빛의 속도가 바뀌는 것과 같은 이야기라고 하는 모순을 생각할 수 있다. 이는 빛의 군속도가 아닌 위상속도가 바뀌면서 간섭무늬에 영향을 주는 것에 비롯되기 때문이다.
[21]
이해를 돕자면 빛의 속도로 움직이면서 손전등으로 어떤 정지해있는 물체를 비춘다고 가정했을 때 그 물체에 생기는 그림자의 이동속도를 생각하는 것이다. 어떤 물체와의 거리를 1미터 앞에서는 광속으로 움직이는 손전등을, 반대쪽으로 물체와의 거리를 2미터 되는 곳에 벽을 설치하여 그림자를 생기게 한다면 손전등이 움직이는 거리의 두 배를 그림자는 같은 속도로 움직였다는 것이고, 이것이 위상속도이며 빛의 속도보다 충분히 빠를 수 있다는 것이다.
[22]
실제 중력파를 음파로 변환하여 들어보면 물방울 떨어지는 소리 내지는 고무마개 딸 때 나는 "뽕"하는 소리 비슷하게 들린다. 임팩트 있게 다가오는 시각적인 모습과 다르게 음파로 듣는 중력파는 아기자기하다는 반응이 많다.
[23]
빅뱅 직후에 발생한 중력파는, 비록 아주 미세하겠지만, 아직도 우주 공간을 누비고 있을 것이다.
[24]
현대물리학의 두 축인 일반 상대성 이론과 양자역학은 특히 중력과 시공간이라는 측면에 있어 두 이론 자체만으로 서로 양립할 수 없다. 따라서 적어도 둘 중 하나는, 그리고 아마도 둘 다, 잘못된 이론은 절대 아니지만 자체적으로 완전한 이론은 아니라는 것이 물리학자들의 중론이다. 궁극적으로는
모든 것의 이론을 정립하는 데 도움이 될지도 모른다.
[25]
현재 초신성의 관측방법은 폭발 직후 나오는 빛과 전자기파를 탐지하고 그 방향으로 망원경을 돌려 관측하는 형태가 대부분 이었다. 때문에 이미 초신성 폭발을 뒤늦게 알 수 밖에 없는 뒷북관측이었는데 반해 중력파를 이용할 경우 폭발 몇시간 전에 중력파의 요동을 탐지하고 폭발 하기 몇분 전에 나오는 중성미자를 탐지하여 초신성 폭발이 일어나는 현장을 생생히 관측할 수 있을 것이다.
[26]
중력파 관측기의 감도가 향상된다면 중성자별 간의 충돌로 인해 발생하는 중력파도 감지할 수 있을 것이며, 실제로도
2017년 8월 17일 관측에 성공했다. 블랙홀 충돌의 경우 블랙홀은 오직 질량으로만 그 특성이 결정지어지기에 충돌로 인한 중력파에는 블랙홀의 질량에 대한 정보만이 포함되지만, 중성자별의 경우 구성 입자의 특성이 아인슈타인의 중력파 방정식에 의거하여 중력파에 영향을 미치게 된다. 따라서 중성자별 충돌로 인한 중력파는 중성자별을 이루는 물질 상태에 대한 자세한 정보를 포함하고 있을 것이며, 이에 대한 분석을 통해 극한 중력의 환경에서 물질이 어떻게 행동하는가를 연구할 수 있다. 블랙홀 충돌의 경우에는 안타깝게도 질량에 대한 정보 이외에 물질 관련 모든 정보는 사건의 지평선 안에 갇혀있기 때문에 중력파에 반영되지 못한다.
[27]
지구 둘레의 25배이자 지구와 달의 평균거리를 2.5배 넘는다. 예산문제로 NASA가 빠지기 전의 원래 계획에서는 500만 킬로미터였다.
[28]
NASA가 함께 진행했던 LISA 프로젝트의 소개 영상. 탐지기끼리 레이저를 쏘면 빛이 도착하는 데만 16초가 걸린다. 지금은 유럽우주국 단독의 eLISA 프로젝트가 되었다. 그리고 탐지기 간 거리가 확 줄었다
[29]
https://youtu.be/Dyn9KbB_zeo
[30]
심지어 본 관측 전까지는 이론적으로 제시만 되어 있는 상태였다.
[31]
Gabriella et al., "The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background", The Astrophysical Journal Letters, Volume 951, Number 1, June, 29, 2023
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdac6
[32]
한명이 있으나 논문상으로는 한국과학기술정보원 소속으로 표기되어있다.
[33]
추정질량은 각각 태양질량의 1억배
[34]
https://youtu.be/wfT3UnWxm7s