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중력파


중력파의 존재가 발표된 지난 11일 미국 워싱턴의 네셔널프레스클럽의 기자회견장에 중력파를 나타낸 영상 화면이 전시되어 있다.

중력파의 존재가 발표된 지난 11일 미국 워싱턴의 네셔널프레스클럽의 기자회견장에 중력파를 나타낸 영상 화면이 전시되어 있다.

뉴스의 배경과 관련 용어를 설명해드리는 뉴스 따라잡기 시간입니다. 아인슈타인이 이론으로 제시했던 중력파의 존재가 100년 만에 밝혀져 화제가 되고 있습니다. ‘금세기 최고의 과학적 발견이자 쾌거’라는 평가가 줄을 잇고 있는데요, 뉴스 따라잡기 오늘은 ‘중력파’가 무엇인지, 또 이 발견이 어떤 의미가 있는지 알아보겠습니다. 조상진 기자가 전해드립니다.

“금세기 최고의 과학적 성과”

지난 2월 11일, 미국 국립과학재단(NSF)은 워싱턴 디시에서 기자회견을 열고 고급레이저간섭계중력파관측소(LIGO) 연구진이 중력파를 탐지하는 데 성공했다고 발표했습니다.

[녹취: LIGO 중력파 탐지 발표] “Ladies and Gentleman. We have detected Gravitational Waves. We did it!”

1915년에 알버트 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 예측한 중력파의 실체가 100여 년 만에 실험을 통해 입증된 것입니다. 그동안 중력파의 간접 증거가 발견된 적은 있지만 직접 탐지된 것은 이번이 처음인데요, 과학자들은 이 발견이 우주의 탄생인 빅뱅이나 블랙홀에 대한 비밀을 푸는 열쇠가 될 것으로 기대하고 있습니다.

[녹취 : 데이비드 라이츠 캘리포니아 공대 교수]

이번 연구를 지휘했던 데이비드 라이츠 캘리포니아 공대 교수는 “이번 발견이 400년 전 갈릴레오가 천체 망원경을 발명한 것에 비견할 정도로 의미가 크다”고 말하기도 했습니다.

“중력파란 무엇인가요?”

중력파를 이해하기 위해서는 먼저 중력이 무엇인지 살펴볼 필요가 있는데요, 질량이 있는 모든 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 존재하는데 이것을 바로 중력이라고 합니다. 이 중력을 가진 물체가 힘을 받아서 움직이면 그 주위의 시공간이 흔들리면서 파동이 생기는데요, 이때 생기는 파동을 ‘중력파’라고 부릅니다. 중력파를 측정하면 그 물체가 어디에서, 어떤 방향으로 움직였는지 알 수 있는데요. 중력파 검출장치 분야의 세계적인 권위자인 메릴랜드 대학교 백호정 교수는 중력파를 이렇게 설명했습니다.

[녹취: 백호정 교수] “연못에 돌을 던지면, 물의 파동이 호수 전체로 퍼져 나가는 것이나 마찬가지죠. 단지 중력파는 빛의 속도로 3차원 공간으로 퍼져 나간다는 것이 차이지요. 우리가 잘 아는 전자파와 흡사합니다.”

“중력파 확인에 왜 이렇게 오래 걸렸나요?”

모든 물체는 힘을 받아 움직이면 중력파가 생기기 때문에 돌멩이 하나를 던져도, 사람이 뛰기만 해도 중력파는 생성되지만 관찰할 수는 없다고 합니다. 중력이 너무나 미약하기 때문인데요, 이 때문에 아인슈타인은 자신의 이론에 따라서 중력파를 예측하긴 했지만, 인간의 기술로는 결코 탐지할 수 없을 것으로 생각했습니다. 하지만 이번에 검출된 중력파는 워낙 강하기도 했고요. 그동안 기술이 발전했기 때문에 탐지할 수 있었다고 하는데요. 다시 백호정 교수입니다.

[녹취: 백호정 교수] “이번에 검출된 중력파는 태양보다 질량이 30배나 큰 두 개의 블랙홀이 빛의 속도의 거의 반의 속도로 서로 돌면서 충돌하는 데서 나오는 중력파였습니다. 중력파가 워낙 강렬했기 때문에 13억 광년 떨어진 먼 거리에서 발생해서 우주 전체로 퍼져나간 파동이 13억 년 후에 지구에 미쳤고 그 작은 물결을 지구에서 탐지한 것이지요.”

“어떤 방식으로 중력파를 탐지했나요?”

13억 광년이나 떨어진 먼 우주공간, 빛조차 빠져나올 수 없는 큰 중력을 가진 두 블랙홀이 충돌하면서 강력한 중력파가 나왔습니다. 하지만 그로 인해 시공간에 생긴 변화는 원자 크기의 10억분의 1 정도라고 합니다. 실체를 확인하기가 불가능에 가깝다고 할 수 있는데요. 이번 검출은 중력파 검출장치인 라이고(LIGO)를 통해 이뤄졌습니다. 길이 4km의 진공 터널을 직각으로 만들고 레이저를 직각의 두 방향으로 분리시켜 보낸 후에 거울에 반사되어 돌아오는 동안에 생기는 레이저의 경로 변화를 측정한 건데요. 다시 메릴랜드 대학교 백호정 교수입니다.

[녹취: 백호정 교수] “X 방향의 팔은 길이가 늘어나고 Y 방향의 팔은 길이가 줄어든다면, 반사되어 오는 두 광선 사이에 간섭이 일어나게 되고 그 간섭을 측정함으로써 두 팔의 길이의 상대적인 변화를 측정할 수 있습니다. 물로 실험할 수 있는데, 물에 돌을 던지면 파동이 번져나가잖아요? 그 옆에 돌을 또 하나 던지면 또 다른 파동이 생기는데, 그 파동끼리 만나면, 하나는 올라가고 하나는 내려가는 게 만나면 서로 상쇄하는데 그걸 간섭이라고 하죠. 그러니까 파동의 간섭입니다.”

그러니까 중력에 의해서 시공간에 변화가 있다면 레이저가 되돌아올 때 똑같이 오는 것이 아니라 미세한 차이가 생긴다는 건데요. 원리는 다소 간단해 보이지만 중력파에 의한 변화가 원자 크기의 10억분의 1 정도로 아주 미세해서 탐지기의 감도를 높이기 위한 노력이 필수적이었습니다. 지진 같은 땅의 진동에 영향을 받지 않아야 하고요. 검출 장치의 전자 잡음이나 잘못된 신호 감지를 줄이고, 직각 진공 터널의 길이를 길게 유지해서 탐지기 감도를 높이는 작업 등을 수십 년에 걸쳐 진행하면서 이번 중력파 탐지를 이뤄냈습니다.

“중력파 탐지 소식에 과학계가 흥분하는 이유는 뭘까요?”

바로 우주를 보는 새로운 문이 열렸다는 겁니다. 인간은 갈릴레오가 망원경을 발명하면서 우주를 관측하기 시작했습니다. 하지만 그동안은 빛이 생성된 이후의 우주만 관측할 수 있었는데요. 과학자들은 우주의 탄생으로 여겨지는 빅뱅이 일어난 후 38만 년이 지난 다음에야 빛이 생성됐다고 말합니다. 그러니까 빛의 생성 전에 이루어진 우주 초기 상태를 파악할 수는 없었는데요. 또 천체에서 뿜어져 나오는 빛은 표면에서 나오기 때문에 천체 내부를 파악할 수 없고, 빛을 내지 않는 블랙홀 같은 암흑 물질들을 관측하는 데도 한계가 있었습니다. 하지만 이번 중력파 탐지로 새로운 문이 열렸다고 백호정 교수는 말했습니다.

[녹취: 백호정 교수] “이번 실험이 처음으로 블랙홀이 실제로 존재한다는 것을 증명하였고, 앞으로 다른 블랙홀들과 중성자별들에서 나오는 중력파들이 계속 탐지될 것입니다. 블랙홀에서는 빛도 탈출할 수 없기 때문에, 너무 중력이 강해서 빛도 탈출할 수 없기 때문에, 빛이나 다른 전자파로 관찰할 수 없었던 가장 강력한 에너지의 천체 현상들이 중력파를 통해서 관찰할 수 있게 됐습니다. 천문학에 새로운 관찰의 문이 열린 것입니다.”

그동안 천체망원경이나 전파망원경으로 볼 수 없었던 현상, 빅뱅 이후 우주의 탄생 과정과 같은 현상을 이제 중력파를 통해 설명할 수 있게 된 건데요. 따라서 우주학과 천체 물리학이 훨씬 더 발전할 것으로 과학계는 기대하고 있습니다.

“일반 대중들에게는 이번 중력파 탐지가 어떤 의미가 있나요?”

중력파 탐지 자체가 지금 당장 사람들의 삶에 커다란 변화를 가져온다고 보기는 힘든데요. 하지만 공상과학 영화에서나 가능한 것으로 여겨졌던 타임머신을 통한 시간 여행이나 우주 탐험이 실제 가능해질 수 있는 토대가 만들어졌다는 게 과학자들의 의견입니다.

뉴스 따라잡기, 오늘은 금세기 최고의 과학적 발견으로 일컬어지는 중력파에 대해서 살펴봤습니다. 지금까지 조상진이었습니다.

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