중력파와 상대성 이론

17세기 대표적 학자인 아이작 뉴턴은 시간과 3차원 공간을 별로 다루는 중력 이론을 내세우며, 중력의 작용이 순간적으로 일어난다고 가정하였다. 즉, 질량이 가진 물체가 가속하더라도 시간이나 공간에는 아무런 변화가 일어나지 않는다는 것이다. 1905년 아인슈타인은 질량을 가진 물체의 가속 운동에 의해 시공간에 잔물결 같은 요동이 발생하고 이것은 빛의 속도로 전달되며 시공간이 요동치게 된다며 뉴턴의 중력이론에 정면으로 반박을 한다. 

중력파의 존재 

아인슈타인은 바로 이 중력작용을 고려하여 4차원의 시공간을 기술할 수 있는 이론인 '상대성 이론'을 발표한다. 이듬해 1906년에 중력파의 존재를 이론적으로 예측 하는 논문을 발표하며, 상대성이론을 기술할 때 중력파의 작용이 빠지지 않게 된다. 이론이 발표되고 수십년이 지나 1970년에 비로소 아인슈타인의 중력파가 실제로 존재한다는 증거가 전파 관측을 통해 처음으로 알려지게 된다. 미국의 천문학자인 러셀 헐스와 조세프 테일러는 아레시보 전파 망원경을 통해 전파 펄서가 중성자별과 공전하는 쌍성을 발견한다. 이후 수년간 지속된 관측을 통해 쌍성의 공전주기가 감소하고 있었고, 그 감소율이 상대성이론의 예측과 매우 일치한다는 것을 수치로 확인하게 되었다. 

중력파의 검출

사실 중력파의 신호는 매우 미약하여 최첨단의 광학 기술이 집약된 초정밀 측정기기를 사용해야 신호 검출이 가능하다. 상대성 이론이 발표 되었을 당시에는 이런 기술 발달 전이였던 시기여서 이론을 검증하기가 쉽지 않았다. 수십년이 지나서 1960년 후반부터 개발 되기 시작하여 처음에 알루미늄과 같은 금속 수 톤을 이용한 공명 검출기 가 처음 시도되었고, 이어서 70년대에 레이저 기반 검출기가 개발 되었다. 이런 중력파 검출 관련한 노력들 덕분에 이제는 수백미터 또는 킬로미터 급의 레이더 간섭계 기반한 중력파 검출기가 세계 곳곳에 건설 되었다. 대표적인 검출기로는 미국에 설치된 중력파 검출기 라이고(LIGO) 그리고 유럽의 비르고(Virgo) 등이 있는데, 가장 최근에 미국의 라이고에서 14억년전 우주에서 블랙홀의 충돌로 인한 중력파 가 지구에 도달한 것을 검출해냈다. 이로서 다시한번 우주에 블랙홀의 존재를 확인하는 계기가 되었고 나아가 쌍성으로 존재하는 두 개의 블랙홀이 역동적 과정을 거쳐 하나의 거대한 블랙홀로 병합하는데 까지의 과정까지 발견해내게 된 것이다. 

                                          < 미국의 중력파관측소 라이고 (LIGO) >

우주 거리 측정

중력파는 우주의 기원을 이해하는데 가장 결정적인 단서이기 때문에 천문학자들에게는 항상 큰 관심거리였다.  중력파의 감지는 우주 시공간과 중력이 우리에게 어떻게 작용을 하는지에 대한 통찰력을 줄것이다. 특히 중성자 별이 충동 후 합쳐지면서 짧은 감마선 폭발도 일어났는데 이것이 우주론에 있어서 우주거리를 밝힐 수 있는 새로운 수단이 될것이라고 학자들은 기대를 하고 있다. 이로서 중성자 충돌로 인한 각종 전자기파 와 관측을 통해서 우주에 퍼져있는 각 별들의 세밀한 위치를 확인이 가능해졌다. 400여년 전 갈릴레이의 망원경 발명이후 인류는 가시광선, 엑스선 등 전파기파만으로 우주를 볼 수 있었지만, 이후 인류는 과학 기술의 진보적 발전에 힘입어 블랙홀과 같이 빛이 거의 나오지 않아 정보를 얻기 힘들었던 중성자별 내구 구조를 중력파를 통해 명확히 알 수 있게 된 것이다. 중력파 관측이 앞으로 우주에 대한 어떤 이해를 바꾸어 놓을지 또는 새로운 미스테리를 푸는 실마리를 제공하게 될지 기대가 된다.