우주로 퍼지는 시공간의 물결, 중력파

잔잔한 호숫가에 돌을 떨어뜨리면 동심원 모양의 수면파가 생겨 사방으로 퍼져나가는 것처럼 시공간에서도 이와 유사한 일이 발생한다. 질량이 있는 물체가 움직이면 시공간이 일렁이게 돼 파동을 만들어내는데, 이것이 바로 중력파이다. 오늘은 신비로운 중력파에 대해 알아보도록 하자.

1. 중력파(Gravitational Wave)란?

중력파라는 개념은 아인슈타인의 상대성원리에서 쉽게 유추해낼 수 있는데, 상대성원리에서 중력이란 시공간의 일그러짐으로 인해 발생하는 현상으로 다뤄진다. 이 시공간의 일그러짐은 '질량'의 존재로 발생하는데, 대체로 질량이 클수록 시공간도 심하게 일그러진다. 이러한 물체가 가속운동을 하는 특수한 환경에 처하게 되면 질량에 의해 발생한 일그러짐의 변화가 빛의속도로 주변으로 퍼져나가는데, 이것이 바로 중력파이다. 중력파를 이해하기 위해선 공간을 이해해야 한다. 공간이란 공간을 이루는 물질(양자)과 에너지(장)이 있어 현재 우리가 느끼고 있는 '공간'이라는 특성을 지니는 상태를 말한다.설명이 어렵지만 쉽게말하면 이 글을 보고 눈을 굴리며 글을 읽을 수 있는것도 우리가 공간에 존재하기 때문이라고 생각하면 된다. (솔직히 공간이라는 특성은 본인도 어떻게 설명할 수가 없다. 그냥 본능으로 느끼길)

즉 공간은 공간을 이루는 미세한 덩어리 즉 양자로 가득 채워져 있다는 것이다. 여기서 양자의 에너지가 낮아지게 되면 양자의 밀도가 낮아지게 되는데, 골고루 낮아지는게 아닌 한쪽이 낮아지면서(비양자화) 마치 물과 같이 빈 상태를 채우려는 성질로 주변에서 양자들이 밀려들어오게 된다. 이렇게 되면 다시 다른한쪽의 양자밀도가 낮아지고 이는 그 옆의 양자의 비양자화를 초래한다. 이러한 현상이 반복되면 파동이 생기는 것이다.(정확한 설명이 아닐 수 있다.)

2. 중력파의 근원과 성질

중력파는 위에서 설명한 대로 질량을 가진 물체가 가속운동을 하게 되면 발생하게 되는데, 보통의 가속운동, 예컨데 직선으로 가속한다든지 하는 가속운동은 포함되지 않고 서로 쌍성을 이루며 공전하는 관계에서 발생한다. 중력파는 우주의 기본적인 4가지 힘 중 가장 약하기 때문에 그 파장의 세기도 매우 약한데, 게다가 파동이기 때문에 그 세기는 거리에 반비례하게 된다.이러한 특성은 중력파를 검출하는 데 크나큰 장애가 된다. 예를들어 서로 가까워지고 있는 쌍성펄서는 현재로썬 중력파를 관측하기 가장 좋은 조건을 가지고 있는데, 이들에게서 관측되는 어떠한 변형(Strain)은 1/1020도 안 된다. 보통 학자들은 중력파를 물결파에 빗대어 설명하는데(물론 위에서 비유한것도), 이는 정확한 설명이 아니다. 중력파는 정확히 말하면 구면대칭(Spherically Symmetric)도 아니고 축대칭(Cylindrically Symmetric)도 아니다. 예를들면 아령을 가지고 설명할 수 있는데, 아령이 단순히 바퀴처럼 굴러가게 되면 아무일도 발생하지 않는다. 하지만 아령이 마치 쌍성처럼 회전하게 되면 그 자취를 따라 파동이 발생하게 된다는 것이다.

3. 중력파를 관측하려는 인류의 노력

조셉 웨버(Joseph Weber, 1919-2000)의 웨버 바(Weber Bar)

중력파가 발생하는 시공간의 일렁임은 태양반지름만한 길이에서 수소원자 하나 크기만큼 변하는 수준으로 매우 작기 때문에 관측이 상당히 어려운데, 이러한 중력파 검출 연구의 선구자는 미국의 물리학자 조셉 웨버였다. 그는 지름 1미터 높이 2미터 크기의 알루미늄 원통에 안테나를 달아 중력파 검출을 시도했는데, 웨버 바로 중력파가 지나가면 원통이 진동하게 되고 이 진동으로 생기는 미약한 전류를 측정하는 방식이었다. 그는 그동안의 연구 데이터를 종합하여 1968년 중력파가 존재한다는 증거를 발견했다고 발표하지만 뒤이은 재연실험으로는 어떠한 소득도 없었다고 한다. 1974년에 이르러서야 중력파가 존재한다는 간접적인 증거가 나타났는데, 바로 J.테일러와 R.헐스의 쌍성펄서 PRS1913+16 연구이다. 이 쌍성펄서는 서로 태양반지름정도(약 70만km) 떨어져서 8시간에 한번 공전하는데, 이 공전주기가 매년 100만분의 75초씩 짧아지고 있음을 확인하였다. 

아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 이는 중력파의 형태로 에너지가 방출되고 있다고 보고 있다. 두 물체간의 상호작용으로 발생하는 중력파의 연구는 레이저 간섭계(Laser Interferometry)의 이용으로 새로운 국면을 맞이하였는데, 이 방식은 기존의 웨버 바와는 달리 공명진동수에 맞는 중력파만이 아닌 더 넓은 범위의 진동수를 갖는 중력파를 관측할 수 있다는 점에서 중력파 연구에 활력을 불어넣었다.(기존의 웨버 바는 알루미늄과 공명하는 진동수 근처에서만 중력파를 감지했다.)

여기서 레이저 간섭계의 원리에 대해 간단하게 짚고 넘어가자면 이렇다. 중력파를 검출할 때 이용되는 레이저 간섭계로는 마이클슨 간섭계(michelson-interferometer)인데, 마이클슨 간섭계는 간단하게 다음과 같이 레이저 방사기와 세 개의 거울, 그리고 감지기로 구성돼 있다. 소스에서 레이저를 쏘게 되면 첫 번째 거울에서 둘로 나뉘어져 양쪽 거울에 반사됐다가 다시 돌아오면서 합쳐지게 된다. 이때 이 합쳐진 빛은 위상차로 인하여 간섭무늬가 생기게 된다. 이때 중력파가 이 간섭기를 지나가게 되면 중력파의 성질로 인해 터널의 길이가 변하게 되고 간섭무늬가 변하게 된다.

마이클슨 간섭계로 생기는 간섭무늬들

이 변하게 된 정도를 측정해 터널길이 변화를 측정하는 원리이다. 하지만 그 변화가 너무 작기 때문에 일부러 거울을 조절해서 상쇄간섭을 일으키게 하는데, 이렇게 되면 약한 변화라도 감지가 잘 되는 이점이 있다. (0과 1 차이, 10^20과10^20+1의 차이를 생각해보라) 지상관측기의 최대 약점은 주변의 잡음인데, 자동차가 지나가거나 벌목하는 사소한 일에도 검출에 영향을 줄 수 있다. 특히 이 검출기는 진동에 아주 민감하기 때문에 외부의 진동을 차단시켜야 한다. 민감한 장비일수록 이런 사소한 잡음에도 관측에 큰 장애가 될 수 있기 때문이다. 현재 전세계에 설치된 중력파 검출기에는 미국의 라이고(LIGO),이탈리아의 버고(VIRGO),독일의 지오600(GEO 600) 등이 있다.

각 터널의 길이는 4km이다. 이러한 간섭계가 미국 각지에 총 세개가 있다.

특히 라이고는 민감도와 관측의 정밀도를 높이기 위해 미국 각지에 총 세 개를 설치했다. 라이고와 버고는 업그레이드 중이기 때문에 현재는 지오만 가동되고있는 상태이다. 현재 이 중력파로 인한 터널 길이변화는 2~3km에서 10^(-18)m정도 변하는 수준이라고 예측된다. 하지만 2014~15년 사이로 완공 예정인 라이고 업그레이드 버전은 10^(-20)m수준의 변화까지 감지할 수 있을 것으로 보고 있어 중력파에 대한 연구에 많은 성과를 가져다 줄 것으로 기대하고 있다.

NASA와 ESA가 공동 주최한 LISA프로젝트

지상관측기 외에도 미 항공 우주국(NASA)과 유럽 우주기구(ESA)가 공동으로 시작해서 현재 프로젝트 진행단계에 있는 우주관측기도 있는데, 바로 LISA(The Laser Interferometer Space Antenna)이다. LISA는 감도를 높이기 위해 총 세 대를 한변이 500만km인 정삼각형 모양으로 배치할 예정이며, 수십~수백여개에 달하는 중력파 소스의 후보자들은 물론 수십여개의 은하 중심의 블랙홀에 대해 집중적으로 연구할 것이다. ESO는 빠르면 2018년에 발사할 것을 공식 발표한 상태이다. 리사는 우주공간에서 활동하기 때문에 태양풍과 같은 각종 하전입자에 노출된다. 이들은 중력파 검출에 방해가 될 소지가 있기 때문에 제로드래그 인공위성 (Zero-Drag Satellite, 태양풍, 복사압을 제거하는 용도로 제작됨.)으로 제작되었다. 각 간섭계의 변을 이루는 지점은 프루프 메스(The Proof Mass, 금 75% 플래티넘 25%)로, 거울같은 표면으로 이루어진다. 이들은 지구와 태양사이의 거리에 절반 정도 되는지점에 황도면으로부터 약 60도 기울어진 상태로 배치될 예정이다.

4. 끝으로

중력파는 전자기파와는 달리 물체와 상호작용을 하지 않는다. 즉, 전자기파를 통해 물체의 표면 상태에 대한 정보를 얻을 수 있었다면, 중력파를 통해서는 물체의 내부까지 들여다 볼 수 있다는 것이다. 엑스레이가 사람의 내부모습을 보여줬듯이 중력파는 천체의 내부모습을 우리에게 보여줄 것이다. 또한 쌍성중성자별이나 블랙홀 혹은 초신성 등에서 나올 것이라는 중력파를 직접적으로 관측할 수 있게 되면, 빅뱅 초기의 질량체에서 발생한 중력파도 관측이 가능할 것이다. 이렇게 되면 초기 우주와 빅뱅이론을 규명하는 데 큰 도움을 줄 것이라고 본다.

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave

http://en.wikipedia.org/wiki/Interferometry

http://lisa.nasa.gov/

http://me2.do/xBzG0PmB