중력파, 우주의 비밀을 푸는 열쇠

 중력파는 공간을 수축 및 팽창시키는데 중력파의 속도는 빛의 속도와 같다. 중력파의 존재 가능성은 19세기 중반 올리버 헤비사이드가 중력 공식과 정전기력 공식의 유사성에 근거해 유추해 냈습니다. 물론 더 앞선 시기에 푸엥카레에 의해 최초로 개념과 가능성이 제시되었습니다만 영국의 물리학자인 헤비사이드의 이론이 좀 더 구체적이고 상세했습니다. 하지만 당시의 기술적 한계 때문에 직접적으로 검출하지 못하고 간접적으로 확인되어 중력파의 실존에 대해서는 입증하지 못했습니다. 

중력파

 

중력파의 정의

 중력파는 움직이는 물체의 질량으로 시공간이 요동치며 출렁이면서 파동의 형태로 외부를 향해 움직이는 것을 말합니다. 이러한 중력파는 백색 왜성과 블랙홀, 중성자별과 같은 쌍성의 이중성 계열 행성등에게서 방출되며 아인슈타인의 일반상대성 이론에 따른 현상입니다. 이러한 방출에 따라 파생된 에너지는 중력 복사라 하며 시공간의 비틀림을 가정하여 발원한 결과입니다. 우주의 큰 규모의 대상이 이동하면서 생기는데 이 물체들의 속도가 높아지거나 움직임이 균일하지 않을 때 발생한다고 확인되었습니다. 또한 중력파는 시공간의 뒤틀림, 곡률이라고 불리는 이 움직임으로 인해 중력파를 관찰하는 관측자도 이에 영향을 받아 함께 움직이게 됩니다. 그로 인해 관측자는 중력파의 변동을 감지할 수가 없습니다. 중력파의 다른 성질 중 하나는 중력파가 원인이 되는 속도의 증가되며 움직임이 일어나는 현상은 그 대상이 되는 물체의 질량과 무관하게 동일한 것입니다.  

중력파 관측의 성공

 우선 중력파의 직접적인 검출에 성공한 것은 2015년 레이저 간섭계 중력파 관측소, LIGO에서 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 융합하는 과정 중에 방출된 중력파를 검출해 낸 것이 최초입니다. 관측기기의 업그레이드가 이루어진 후 30여 분 만에 우주의 대형 이벤트인 중력파를 역사상 처음 관측한 극적인 사건으로 공식적으로 학계에 보고되어 인정받았습니다. 최초의 검출 이후 같은 해에 두 번째 검출에도 성공하며 다시 한번 쌍성계 별이 서로 근접하여 움직이며 에너지를 생성하고 그 결과 중력파의 방출이 발생한다는 사실을 입증하게 됩니다.

 최초로 중력파의 간접적인 관측 및 검출이 이루어진 것은 20세기 후반, 쌍성계 펄스를 통해서였습니다. 이후 해군 장교인 조셉 웨버가 중력파를 검출할 수 있는 기기를 개발해 냈지만 실질적으로 중력파를 잡아내는 것에는 실패하게 됩니다. 그 영향으로 측정 장치의 방식을 변경하거나 웨버의 방식이 틀렸음을 입증하기 위해 많은 관련 학자들이 논문을 발표하는 등 오히려 중력파 관련 연구가 활기를 띠며 발전하게 됩니다. 대표적인 예로는 저명학 과학자인 스티븐 호킹의 논문이 있는데 호킹은 이 논문을 통해 웨버의 방식으로는 중력파를 검출할 수 없음을 밝혀냅니다. 또한 웨버가 고안한 측정기기의 오류를 수정하며 새로운 측정기기 모델을 만들게 되는데 이것이 현재의 직접적 관측에 성공하게 된 기기의 제작에 도움을 주게 됩니다. 

 

중력파와 연관된 현상들

 우주에서는 중력파와 같이 질량을 가진 두 물체가 서로 영향을 주며 둘 사이의 거리가 줄어들고 중력으로 인해 파동이 발생하는 현상들은 여러 가지가 존재합니다. 그중에서 일반상대성 이론과 연관이 있는 Frame Dragging은 질량이 큰 물체의 움직임으로 인해 발생한 중력이 원인이 되어 시공간에 영향을 주어 함께 움직임이 생성된다는 이론인데 2000년대에 위성을 발사해 측정에 성공하였습니다. 두 번째로는 양자역학과 일반상대성 이론 모두의 관점에서 볼 수 있는 특이점입니다. 보통 중력특이점이라고도 하는데 강력한 중력으로 인해 시공간이 틀어지고 붕괴된다는 개념입니다. 현 과학계는 우주의 빅뱅 발생했던 탄생의 시작이라고 할 수 있는 당시가 특이점이라고 보고 있으며 당시의 우주가 블랙홀이 되는 과정을 거쳐 붕괴하거나 소멸하지 않은 것을 근거로 보고 있습니다. 마지막으로 일반상대성 이론의 증거이기도 한 중력렌즈효과는 매우 먼 거리에 떨어져 있는 천체의 빛이 중간에 있는 다른 천체로부터 작용하는 중력에 의해 렌즈에 맺힌 상처럼 휘어져 보이는 현상입니다. 이 현상은 큰 곰자리에 있는 퀘이사를 관측하면서 입증되었는데 두 개의 행성으로 보이지만 사실 하나의 행성이 중력렌즈효과로 인해 오인된 것이었습니다. 

중력파의 활용과 미래

  첫 번째로는 중력렌즈효과를 이용하여 먼 거리에 떨어진 물체의 관측이 가능해지는 것입니다. 중력망원경이라고 불리기도 하는데 행성의 관측뿐만 아니라 궤도에 대한 추적도 가능할 것으로 보고 있습니다. 또한 이를 통해서 빛조차도 빨아들이는 블랙홀이나 소형 행성의 질량 측정, 태양계 외부의 행성들에 대한 관측, 암흑물질에 대한 조사, 우주 팽창에 대한 연구 등을 가능케 합니다. 이 외에도 지진을 미리 예측하거나 중력파의 투과 성질을 활용해 통신 분야에 활용할 수 도 있을 것입니다. 현재에도 중력파에 관련해 활발히 연구가 진행되고 있고 앞으로는 직접 우주상에서 중력파 측정을 하기 위한 준비도 진행되어 가고 있습니다. 이런 일련의 과정들을 거쳐 오랜 기간 천문학계와 물리학계 등의 미해결 과제들을 해결하고 우주의 역사를 이해하는데 많은 기여를 할 것으로 예상합니다. 더더욱 심화되고 진일보한 지식과 기술의 결합으로 인류의 과학적 염원과 난제들을 해결하는 데에 있어서 중력파는 아주 중요한 연구 과제로 남을 것입니다.