드디어 중력파의 존재를 밝혀내다!!! Gravitational waves detected

이번에 중력파가 발견되면서 두개의 블랙홀 이원(binary) 시스템이

존재 할 수 있다는 것을 입증했다.

Photograph: Sky News

2016년 2월 11일 어제 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(Ligo)의

물리학자들이 중력파(gravitational wave)를 찾아냈다고 와싱턴에서 가진 기자회견을 통해서 발표했다.

이 중력파의 존재는 이미 100년 전에 상대성 원리를 제시한 알버트 아인슈타인이 예견했지만,

그의 이론은 실험과 관찰로 증명이 되었지만, 유독 중력파의 존재를 증명되지 않았다.

그래서 이날 뉴스는  50여년간 다양한 실험과, 25년간 4 km 크기의 레이저와 거울로

공간시간(spacetime) 내의 아주 작은 원자의 직경의 1/000 의 극소의 작은 뒤틀림(distortion)을

발견할만큼 고도로 민감한 측정기계를 개발한 노력의 댓가로 얻어진 값진 결과이다.

블랙홀에 흡수되는 항성상(quasar)의 모습을 아티스트의 상상으로 묘사한 그림

중력파의 존재는  태양보다 35배가 무거운 블랙홀과

이보다 약간 가벼운 또 하나의 블랙홀이 서로 주위를 맴돌면서 발생된 상황을

세계에서 가장 민감한 측정기계를 사용해서 과학자들이 20/1000초간 측정해서 증명되었다.

블랙홀이 충돌과정을 알리는 시그널의 초반에는 1초에 30번을 서로 공전을 했는데,

20 밀리 초 후에는 두개의 블랙홀은 가속이 붙어서 1초에 250번을 공전을 하다가

곧 어마어마고 거대한  충돌을 일으킨 것을 발견했다.

왼편에 Ligo의 공동 설립자인 라이너 바이스(Rainer Weiss)와

킵 쏜(Kip Thorne) 가 워싱턴 프레스 클럽에서 가진 기자회견에서 서로 포옹하고 있다.

 Photograph: Andrew Harnik/AP

중력파의 존재를 증명하기 위해서 설치된미국 와싱턴 주 LIGO 핸포드에 천문대에 있는

4-km 길이에 달하는 거대한 관측설비의 모습...

루이지애나 주 리빙스턴에 소재한 같은 기계로 이번에 중력파를 발견해 냈다.

Photo: NASA

이번 중력파의 직접적인 발견은 두개의 공존하는 블랙홀,

그리고 이미 100년 전에 아인슈타인이 예견했던

블랙홀의 존재와 충돌과 융합현상 세가지를 입증하게 되면서

현재까지 우주에 관한 정보는 빛으로 얻었지만, 이번에 발견된 중력파로

우주를 보이는 것만 아니라 듣는 것으로도 우주의 비밀을 밝힐 수 있는 새로운 창을 열어 주어서

물리학의 획기적인 업적으로 받아들여지고 있다.

1954년 미국 프린스턴 대학 시절의 아인슈타인

이번에 중력파를 발견한 측정기계는 크게는  우리의 태양계와 가장 가깝지만

4 광년 거리라는 먼 거리에 위치한 별 사이의 공간에 발생하는 변화는 물론,

작게는 머리카락 두께의 아주 짧은 공간의 변화도 발견할만큼 아주 민감한 기계이다.

이 기계로 20/1000 초 찰나에 13억 광년 거리에 떨어진 위치에 있는

두개의 블랙홀이 충돌/융합 과정을 2015년 9월 14일 10시 51분(GMT)에 감지했지만

그 후로 수개월에 걸쳐서 컴퓨터로 이론을 바탕으로 개발 해 놓은 다수의 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션과

비교 검사를 거친 후에야 오늘 이런 중대한 발표를 할 수 있게 되었다.

수학적 자료 분석에 참가한 물리학자들 중 단츠만 교수는

아인슈타인이 제시한 수학공식에 숫자들이 너무도 정확하게 맞아서 그저 놀랍기만 하다라고 밝혔다.

두개의 블랙홀이 321초마다 한번씩 빠른 속도로 서로 공존을 하면서

80,000 km 떨어진 거리까지 다가 가서 아인슈티안의 이론에 따라서 에너지를 방출하고,

따라서 발생된 중력파를 아티스트에 의해서 묘사한 모습

Photo: DANA BERRY/NASA

중력파는 과연 무엇인가?

연못에 물체를 던지면 파장이 퍼져 나가듯이

두개의 거대한 블랙홀이 충돌하면서 발생한 중력파는 빛의 속도로

은하계의 공간뿐 아니라 시간으로 퍼져 나가는 것을 일컫는다.

컴퓨터 시뮬레이션으로 본 두개의 거대한 블랙홀이 서로 회전하면서

 가까이 다가 가면서 발생된 중력파의 모습

Photograph: C. Henze/Nasa

 

중력파는 왜 중요한가?

130억 광년 거리에 위치한 물체를 보려면  130억년 전에 시작된 빛을 분석하면 되듯이

천문학자들은 시간과 공간을 거슬러 올라 갈 수 있지만,

아무리 완전하고 성능이 좋은 망원경도 우주창조 후 처음 40만 년에 일어난 현상을 볼 수 없다.

그 이유는 우주가 창조된 초반은 밀도가 너무도 높아서, 빛조차도 빠져 나갈 수 없어서이다.

하지만 중력파는 우주가 창조된 그 순간부터 존재했기 때문에

중력파를 통해서 우주창조 순간인 빅뱅(Big Bang)부터 

빅뱅의 초반시기에 발생한 과정을 볼 수 있기에 큰 관심이 모여지고 있다.

그리고 "완전한 감지기(Perfect Probe)" 덕분에 10억년 전에 충돌한 두개의 블랙홀의 여파로

지구에서 우주 전체가 경미하지만 팽창하고 수축하는 것을 중력파로 탐지할 수 있을 뿐 아니라

우주의 대부분이 빛으로 관측하는 망원경이 무용지물인 소위 '암흑의 우주(dark Universe)' 상태이기에

감지된 중력파를 바탕으로 이제껏 볼 수 없었던 거대한 우주를 드디어 밝힐 수 있게 되었다.

중력파를 발견한  Interferometer 의 모습과

공간과 시간을 팽창과 수축하면서 퍼지는 모습

Now what next?

중력파는 물리학에서 아직 풀리지 않은 가장 큰 과제인 양자역학(Quantum theory)와

중력을 연결해서 "힘의 통합(the unification of forces)" 이론을 밝혀내는데 큰 도움을 줄 것이 예상된다.