21세기 최고의 발견 '중력파(Gravity Wave)' 총정리! Brand New Telescope

"2015년 9월 14일 중력파가 지구를 통과하는 것이 최초로 관측되었다."

 

전 세계 언론은 이를 앞다투어 대서특필 했습니다.

도대체 중력파가 무엇이길래 전세계가 떠들썩했을까요?

 

오늘은 21세기 최고의 발견이라고 하는 '중력파'에 대해 샅샅이 파헤쳐 보겠습니다!

 

1. 중력파(Gravity Wave)란?

 

 

 

시간을 거슬러 중력파가 관측되기 100년 전인 1915년.

아인슈타인은 그 유명한 일반상대성 이론​을 통해 중력파의 존재를 예측했습니다.

 

질량을 가진 물질이 가속 운동을 하게 되면 그 변화가 시공간의 일렁임으로 나타나고

결국 시공간을 변화시킨 에너지가 파동처럼 전파된다. 

- 중력파, 아인슈타인의 마지막 선물,오정근

 

즉, 중력파란

시공간의 일그러짐으로 일어난 우주의 물결이라는 것입니다.

 

위 개념을 이해하기 위해 중력의 개념을 짚고 넘어가겠습니다.

 

먼저, 시공간이란 무엇일까요?

시공간이란, 시간과 공간을 합친 것입니다.

1차원에는 선이 있고, 2차원에는 면이 있습니다. 

그리고 3차원에는 우리가 사는 입체적인 공간이 있습니다.

 

하지만 아인슈타인은 이 3차원이라는 공간에 시간이라는 차원을 더해

4차원 시공간의 개념을 도입했습니다.

 

3차원 공간 + 시간의 차원 = 4차원 시공간

 

그렇다면 시공간에서 중력은 어떻게 작용할까요?

중력은 이 시공간을 일그러뜨립니다. 

그래서 주변의 물체는 이 일그러진 시공간을 통해 떨어지게 되는 것입니다.

 

Dan Burns 박사는 시공간 속 중력의 작용을 다음과 같이 설명하였습니다.

 

트램펄린 같은 곳의 중심에 무거운 물체를 올려두면 물체의 무게 때문에 중심부가 밑으로 꺼지게 됩니다.

즉, 시공간인 트램펄린 천이 무거운 물체에 의해 일그러지는 것입니다.

그리고 그 위에 질량이 작은 물체를 올려두면 휘어진 곡면을 따라 무거운 물체로 떨어지게 됩니다.

지구의 중력으로 일그러진 시공간 주위를 달이 공전하고,

태양의 중력으로 일그러진 시공간 주위를 지구가 공전하는 것이 이에 해당 됩니다.

 

이 시공간의 일그러짐을 현대물리학에서의 중력이라고 부릅니다.

 

그럼 다시 중력파로 돌아오겠습니다.

중력파는 시공간의 일그러짐으로 일어난 우주의 물결이라고 했습니다.

앞서 중력의 개념을 통해 시공간의 일그러짐을 이해했습니다.

이제는 우주의 물결이 무엇인지 알아보겠습니다.

 

영화 인터스텔라에서 나온 블랙홀을 생각해보겠습니다.

블랙홀이란, 강력한 밀도와 중력으로 인해 빛을 포함해 그 무엇도 빠져나올 수 없는 영역을 뜻합니다.

즉, 엄청난 중력으로 인해 시공간의 일그러짐이 매우 큰 영역을 말합니다.

이러한 블랙홀은 또 다른 블랙홀과 결합할 수도 있습니다.

두 개의 블랙홀이 결합할 때 둘은 격렬한 춤사위를 추게 됩니다.

이 춤사위를 통해 발생하는 막대한 양의 중력은

엄청난 시공간의 뒤틀림을 일으킵니다.

이렇게 두 개의 블랙홀이 만나 하나의 블랙홀로 결합하면서 생긴 엄청난 시공간의 뒤틀림은

마치 물결처럼 시공간을 타고 퍼져나가게 되는데

 

이때!

퍼져 나온 이 물결을 우리는 중력파라고 합니다.

 

이해가 되셨나요?

그렇다면 이 중력파를 어떻게 관측했다는 걸까요??

 

2. 중력파 관측

지구로부터 13억 광 년 떨어진 우주 공간에서

두 개의 블래홀의 격렬한 춤사위로 하나의 블랙홀이 탄생했을 때

위에서 언급한 엄청난 우주 물결을 만들어 냈습니다.

즉, 막대한 양의 중력파가 우주 공간으로 뻗어 나갔습니다.

이를 2015년 LIGO(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory)에서 최초로 관측합니다.

LIGO는 미국 워싱턴주 핸포드, 루이지애나주 리빙스턴에 있는 중력파 관측소입니다.

이 시설은 90도 각도로 놓인, 길이 4km의 두 개의 시설을 지니고 있습니다.

이 LIGO에서는 레이저의 간섭을 이용해서 중력파를 측정합니다.

(출처: https://s22380.pcdn.co/wp-content/uploads/LIGOschematic-600px1.jpg)

Laser에서 쏜 빛은 Beamsplitter에 의해 양쪽으로 쪼개져서 x-y축 방향으로 나아가고,

4km 끝에 장착된 실험실 거울에 반사되어 다시 돌아와 Beamsplitter에 의해 재조합 됩니다.

이 재조합 된 빛은 Light Detector 스크린을 통해 관측됩니다.

이때 반사되어 돌아온 빛은 서로 상쇄간섭을 일으켜 때문에 스크린에는 아무것도 잡히지 않게 됩니다.

상쇄간섭으로 상쇄된 두 빛

따라서 평소에는 아무것도 관측되지 않습니다.

하지만 우주의 물결이 지구에 닿으면 어떻게 될까요?

즉, 중력파가 지구를 지나가게 되면 어떤 현상이 발생할까요?

(출처: https://gfycat.com/snivelingdisastrousfluke)

중력파가 지구를 지나가게 되면 시공간의 일그러짐이 발생합니다.

이는 곧 LIGO 관측소의 시공간 일그러짐으로 이어집니다.

중력파에 의해 시공간이 늘어지게 되면 

양쪽으로 뻗은 4km의 팔 중 하나가 약간 길어진 것처럼 되고,

동시에 반대쪽 팔은 약간 짧아진 것처럼 됩니다.

 

즉, 시공간의 일그러짐으로 하나는 길어지고 하나는 짧아지는 것입니다.

 

이 상태에서 

전과 동일하게 Laser에서 빛을 쏘면 Beamsplitter에 의해 양쪽으로 쪼개져서 x-y축 방향으로 나아가지만,

시공간의 일그러짐으로 인해 반사되어 돌아오는 빛의 도달 시간이 약간 달라지게 됩니다.

그렇게 되돌아온 빛은 Beamsplitter에서 재조합되고 위상차가 발생했기 때문에

Light Detector 스크린에서는 간섭무늬가 관측됩니다.

보강간섭으로 합쳐진 두 빛

쉽게 배트맨의 배트 시그널을 이용해 설명해 드리겠습니다!

두 개의 건물 옥상에서 빔을 쏘면 정확한 배트 시그널이 형성되어

배트맨이 짜잔!

하고 평소와 같이 나타납니다.

이를 평상시 LIGO에서 관측되는 신호라고 생각합시다!

하지만 건물 하나의 위치가 바뀌어서 초점이 나간 배트 시그널이 형성된다면

배트맨이 나오지 않겠죠?

 

이때 LIGO에서는 평상시와 다른 신호(흐린 초점)를 받게 됩니다.

이를 통해 우리는 건물 하나의 시공간이 일그러졌기 때문에

평상시와는 다른 신호가 잡혔다고 예측할 수 있고,

이를 관측하여 신호를 확인할 수 있습니다.

다른 말로 중력파를 확인할 수 있는 것입니다.

얼마나 신기한가요!?

13억 년 전에 발생한 두 블랙홀의 춤사위를

현재 우리가 관측할 수 있다는 것이!!!

 

(출처: https://en.wikipedia.org/wiki/File:LIGO_measurement_of_gravitational_waves.svg)

2015년 9월 14일 처음으로 발견된 중력파의 파형입니다.

 

여기서 마지막으로 궁금한 것은

이 중력파의 발견이 뭐가 그렇게 대단한 걸까요?

 

 

3. 중력파의 활용

우리가 알고 있는 우주...

조금 있어 보이게 영어로

Universe

입니다.

하지만 이는 앞에 단어 하나가 생략된 말인데요.

Full name은

Observable Universe

입니다.

 

따라서 우리가 흔히 말하는 우주는 '관측' 가능한 우주입니다.

그렇다면 지금까지 우리는 우주를 어떻게 관측해 왔을까요?

 

그 유명하신 갈릴레오 갈릴레이의 망원경 발명으로

우리는 미지의 우주를 관측하기 시작했습니다.

이후 망원경의 발전으로

가시광선, 자외선, 적외선, 엑스선 등의 전자기파를 이용해서 

우리는 우주의 비밀을 조금씩 파헤쳐 왔습니다.

하지만 여기에는 한 가지 한계점이 있었습니다.

 

바로 전자기파의 상호작용입니다.

 

빛은 전자기파 중 하나 입니다.

전자기파의 상호작용을 빛을 통한 예로 확인해 보겠습니다.

 

사람이 집 안에 있고 강아지가 문 밖에 있는 상황을 생각해 보겠습니다.

 

이때 강아지에서 나온 빛은 문이라는 장애물과 상호작용하여

우리는 강아지가 존재함에도 '볼' 수 없습니다.

즉, 강아지가 문에 가려져서 볼 수 없는 것입니다.

하지만 강아지가 "월" 이라고 짖게 되면

우리는 볼 수 없음에도 들을 수 있기에

강아지의 존재를 인지할 수 있습니다.

 

이처럼 중력파는 전자기파와 다르게 우주 공간에서 모든 물체를 통과할 수 있으므로

중력파의 발견은 완전히 새로운 망원경을 발견한 것과 같습니다.

그동안 눈으로만 세상을 봐온 우리가

이제는 귀를 동원해 세상을 볼 수 있게 된 것입니다!

이를 통해 138억 년 전, 빅뱅 때 발생한 중력파의 흔적을 찾아낸다면

우주 생성의 원리를 알아내는데 한걸음 더 다가갈 수 있게 되었습니다.

얼마나 놀라운 발견인가요?

 

이제 다들 중력파의 발견이 왜 21세기 최고의 발견이라고 하는지 아셨나요?

 

이해가 되셨다면 좋아요와 댓글!

감사합니다.