5학년도 이해할 수 있는 중력파...쉽게 풀어낸 중력파 Q&A

2017년 10월 17일 00:00

[우주 기원 밝히는 신호 찾았다! 중성자별 충돌로 발생한 중력파 첫 발견]

 

☞ 지구로 중력파 보낸 천체 위치, 처음으로 확인됐다

 

☞ [연구의 의미] 우주 보는 ‘중력의 눈’ 위력 확인해... 중성자별 세밀하게 밝힌 것도 의의

 

☞ [참여 연구자가 말한다] “멀리 떨어진 중성자별 관측 가능해져” - 김정리 한국천문연구원 리더급우수과학자

 

☞ [2017 노벨물리학상] 중력파가 2017 노벨 물리학상을 받은 이유 

 

 

지난 10월 3일 발표된 노벨 물리학상은 ‘중력파’ 연구를 주도한 과학자 라이너 바이스, 배리 배리쉬, 킵 손에게 돌아갔다. 천재 물리학자 아인슈타인이 100년 전에 예측한 중력파의 존재를 최초로 증명해 낸 공로를 인정 받았다.

 

그리고 오늘, 국내 연구진 38명을 포함한 국제공동연구팀이 중력파와 전자기파를 동시에 관측하는 데 성공했다는 연구 결과가 발표됐다. 지난 2015년 9월 블랙홀 충돌에 의한 중력파를 검출한데 이어 이번에 중성자별이 충돌할 때 나오는 중력파를 최초로 검출한 것이다.

 

중력파를 두고 누군가는 ‘아인슈타인의 마지막 수수께끼’라고 말하고, 또 다른 누군가는 ‘우주를 보는 새로운 눈’으로 표현한다. 한순간 이론에서 세상 밖으로 뛰쳐나와 세간의 관심을 끄는 중력파. 아들이나 딸 또는 조카가 “도대체 중력파가 뭐야?” 묻는다면 뭐라고 답해야 할까? 이런 질문에 대비해 동아사이언스에서 ‘쉽게 풀어낸 중력파 Q&A’를 준비했다.

 

 

Q. 100년 전 아인슈타인이 말한 중력파란 무엇일까?

 

LIGO 제공
LIGO 제공

아인슈타인은 상대성이론을 통해 중력파의 존재를 세상에 알렸다. 그는 우주를 ‘시간과 공간으로 이루어진 그물’로 생각했다. 질량을 가진 물체가 시공간 그물을 휘게 만들어서 그물 속으로 빨려 들어가는 중력이 생긴다는 것이다. 그리고 물체가 점점 빠른 속도로 움직이는 가속운동 또는 운동 방향이 계속해서 변하는 회전운동 등을 하면 시공간의 그물이 출렁이면서 이런 변화가 파도처럼 퍼져 나가는데, 이것이 바로 중력파다.


이런 중력파가 지나가면 그곳의 시공간이 변한다. 즉 공간이 늘었다 줄었다, 시간이 느려졌다 빨라지는 현상이 반복된다. 이처럼 순간적으로 시공간의 왜곡을 일으키는 것은 오직 중력파뿐이다.

 

 

Q. 중력파를 관측하기 어려운 이유?


1916년 아인슈타인의 상대성이론 발표 후, 중력파가 존재한다는 사실을 뒷받침하는 발견이 이어졌다. 1974년 미국의 물리학자 조지프 테일러와 러셀 헐스는 *중성자별 두 개가 서로의 주변을 돌면서 거리가 점점 가까워지는 현상을 확인했다. 회전하는 두 별이 중력파를 방출하면서 에너지를 잃고 공전 궤도가 짧아진다는 아인슈타인의 예측이 사실로 증명된 것이다.

 

하지만 이 발견도 중력파가 있을 것이라는 이론을 증명할 뿐, 중력파를 직접 검출하지는 못했다. 100년 동안 그 누구도 중력파를 검출하지 못한 이유는 중력의 특성에 있다. 중력은 아주 약한 힘이다. 자연에서 가장 큰 힘인 강한 핵력의 크기를 1로 보았을 때, 중력의 크기는 6×10-39이다. 태양보다 훨씬 무거운 물체가 빛의 속도만큼 빠르게 움직여도 아주 정밀한 측정 장비로만 시공간의 변화를 알아차릴 수 있을 정도다.

 

*중성자별: 원자를 구성하는 작은 입자인 중성자로 이루어졌으며, 밀도가 높고 크기는 작은 별이다.

 

 

Q. 과학자들은 중력파를 어떻게 관측했을까?

 

미국 워싱턴주 핸포드에 있는 중력파 관측소 LIGO. 라이고의 검출기 크기는 3000km가 넘는다. - LIGO 제공
미국 워싱턴주 핸포드에 있는 중력파 관측소 LIGO. 라이고의 검출기 크기는 3000km가 넘는다. - LIGO 제공

라이너 바이스, 배리 배리쉬, 킵 손을 비롯한 연구팀은 라이고(LIGO)라는 장비로 중력파를 검출했다. 라이고는 빛을 이용해 미세한 길이 변화까지 측정하는 장비다. 4㎞ 길이의 터널이 직각으로 맞닿아 있는데, 맞닿은 곳에서 양쪽 터널 끝을 향해 레이저 빛을 쏜다. 그러면 빛이 터널 끝에 있는 거울에 반사돼 되돌아오는데, 평소에는 양쪽 터널을 지나온 빛의 시간이 서로 같다.


하지만 중력파가 지구를 지나가면 시공간이 왜곡되면서 터널의 길이가 미세하게 달라진다. 실제 2015년 9월, 두 개의 블랙홀이 하나로 합쳐지면서 생긴 중력파로 인해 한쪽 터널은 4×10-18㎝만큼 길이가 줄고, 한쪽 터널은 그만큼 길이가 늘어났다. 이때 터널을 지나온 두 빛이 간섭을 일으켜 검출기가 신호를 감지한 것이다.

 

 

Q. 중력파는 왜 중요한 걸까?


과학자들은 왜 중력파 검출에 열을 올릴까? 이 질문에 답은 여러 가지일 수 있다. 하지만 가장 큰 이유는 중력파가 우주 탄생의 비밀을 밝히는 열쇠가 될 수 있기 때문이다.


지금 우리는 전자기파를 이용한 망원경으로 우주를 보고 있다. 전파망원경을 통해서 볼 수 있는 우주는 빅뱅 후 38만 년 이후부터다. 반면 중력파는 빅뱅이 일어나고 10-32초 뒤부터 볼 수 있다. 즉, 중력파 관측을 통해 지금까지 우리가 알아내지 못한 우주 탄생의 과정을 밝혀낼 수 있는 것이다. 또한 중력파는 물질과 거의 반응하지 않기 때문에 초신성 폭발, 블랙홀 충돌과 같은 먼 우주에서 생긴 신호도 지구까지 전달할 수 있다.


처음 전자기파를 발견한 헤르츠가 “전자기파는 아무 데도 쓸 데가 없다”고 말했다고 한다. 하지만 지금 우리는 전자기파 없이는 하루도 살기 힘든 세상에 살고 있다. 이처럼 중력파가 왜 중요한지, 앞으로 어떻게 쓰일 지는 아인슈타인이 그랬듯 우리도 아직 알 수 없다.

 

 

[우주 기원 밝히는 신호 찾았다! 중성자별 충돌로 발생한 중력파 첫 발견]

 

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