위키독:중력파 검출 실험

중력파가 퍼져나가는 모습을 그린 상상도. 공간 자체가 휜다는 것이 포인트.

2016년 2월 11일 과학계뿐만 아니라 일반 대중에게도 이슈가 되었던 사건이 하나 있었다. 중력파의 검출이 그 것. 과학계에서는 꽤나 역사적인 사건 중 하나로 기록되고 있지만 일반대중에게는 쉽게 잊혀졌었다. 사실 과학덕후나 관련 전문가가 아니면 이해하기도 힘들뿐더러 우리에게 너무나도 동떨어져 있는 내용이기에 어찌보면 당연한 수순.

이론

시공간

아인슈타인 이전에는 시간이라는 개념과 공간이라는 개념은 완전히 별개의 것들이었다. 허나 빛의 속도와 시간, 그리고 공간에 대해 깊이 생각하던 아인슈타인은 1915년 일반 상대성이론을 내놓으면서 사실 시간이나 공간이나 그게 그거라고 하며 그 둘을 합친 새로운 개념, 시공간(Space-time)을 만들어냈다. 그리고 이 물리학적인 개념은 현대에 들어서 중2병스럽게 쓰이는데...

주로 이와같이 손발이 오그라드는 상황이 극대화됐을 때 많이 사용하곤 한다. 적절한 이말년.

중력

뉴턴의 리즈 시절에는 중력란 두 물체 사이에 작용하는 하나의 힘이었다.

중고등학교 시절 우리를 끔찍하게 괴롭혔던 그 공식이다. F는 두 물체 사이에 작용하는 인력으로 각각의 질량이 크면 클수록 증가하고 거리가 멀면 멀수록 급속도로 줄어든다.

또 뉴턴이 발견한 이 힘은 거리에 관계없이 즉각적으로 발동된다. 즉, 힘이 전파되는 속도가 무한이다.

...라고 생각했다.

하지만 1915년 아인슈타인의 일반 상대성이론이 나오게 되자 중력이란 힘은 완전히 다른 개념으로 탈바꿈한다.

시공간은 휘어있다. 이말년은 잊자. 그리고 시공간의 휘어짐, 그 자체가 중력이다.

뉴턴의 생각이 틀렸다는 것이 아니다. 현재 화성으로, 목성으로 항해하는 우주선들은 모두 뉴턴의 중력법칙을 이용하고 있다. 그리고 정확하게 작동하고 있다.

다만 아인슈타인은 중력이 전달되는 방식과 그 정체를 밝혀낸 것이다.

어려운 수학을 풀면 한 가지 결론을 얻게 되는데 이것을 설명하려면 중력과 가속도의 등가관계에 대해 서술해야 한다. 하지만 여기서부턴 전공자의 영역이므로 과감이 생략한다.

그 결과는

물질의 분포가 시공간의 휘어짐을 결정한다.

라는 말로 압축할 수 있는데 조금 쉬운 말로 바꿔보면 질량이 크면 클수록 시공간은 더 많이 휘어진다라는 것이 된다. 이것은 결국 뉴턴과 같은 결론이다. 다만 뉴턴은 시간과 공간은 절대적이라고 생각했으므로 시간과 공간이 늘어나거나 줄어든다는 것은 상상조차 못했던 것이다. 사실 아인슈타인을 제외하곤 아무도 그런 상상을 하진 않았다. 누가 그런 정신나간 생각을 하겠나?

또한 아인슈타인이 밝혀낸 것 중엔 중력 또한 광속으로 전달된다는 것이있다. 즉 유한한 속도를 가지고 있다는 것인데, 이것에서 중력파가 예견된다.

중력파

질량에 의한 시공간의 뒤틀림에 의하여 발생한 요동이 시공간을 매질로 하여 광속으로 진행하는 파동을 뜻한다. 그리고 이 중력파에 실려 전달되는 에너지를 중력 복사라고 한다.

거대한 질량의 변화, 이를테면 블랙홀의 충돌이라던지 은하의 충돌같은 거대한 질량의 변화가 있을때 그에 따른 중력도 당연히 변하게 된다. 질량이 중력을 만드는 것이므로.

아인슈타인은 이 과정에서 질량의 변화가 시공간을 출렁이게 만든다고 생각했고 이것이 파동의 형태로 사방으로 퍼져나갈 것이라고 예측한 것이다.

중력파의 검출에는 중력이 만들어낸 괴물같은 천체, 블랙홀이 이용되었다.

쉽게 생각해서 파도를 생각하면 된다. 큰 바위덩어리를 연못에 집어던지면(=질량에 의한 시공간의 뒤틀림) 잔잔한 연못에 갑자기 파문(=발생한 요동)이 일어난다. 이는 곧 파도(=파동)라는 형태를 띄고 연못(=시공간)을 매질로 하여 진행하여 당신의 발을 적신다. 중력파를 검출한다는 것은 연못의 가장자리에 서있는 당신에게 밀려오는 파도를 검출한다는 것. 다만 이 중력파는 너무나도 미세하기 때문에 이때까지 이론적으로 예견되거나 간접적인 방법으로 증명하는 수 밖에 없었다.

블랙홀이나 중성자별 정도는 되야 겨우겨우 탐지할까 말까한 미세한 놈이기 때문에 아인슈타인이 예견한지 101년만인 2016년에 겨우 탐지할 수 있었다.

실험과정

중력파 탐지의 역사

중력파는 극도로 미세한 파동이라 사람이 결코 느낄 수 있는 것이 아니다. 그래서 중력파의 존재가 예견되었을때는 언젠가는 탐지할 수 있겠지라고 생각했다. 그 첫번째 시도가 미국 해군 장교출신의 요셉 웨버(Joseph Weber). 그는 1960년에 최초로 중력파를 검출하려는 시도를 하였다. 그는 길이 2미터, 지름 1미터의 알루미늄 원통으로 중력파와 공명을 이용해 중력파를 검출하려 했으나 역시 실패. 정확히는 68년 논문에 중력파를 검출했다고 썼으나 다른 곳에서 동일한 방법으로 실험했을 때 재현에 실패하였다.

그리고 1970년대 조세프 테일러와 러셀 헐스의 새로운 발견으로 중력파 간접 탐지의 시대가 열렸다. 중성자별 쌍성을 발견한 그들은 해마다 궤도의 주기가 줄어드는 것을 발견하고는 이것이 에너지를 방출하며 서로에게 점점 다가가는 것이라고 생각했다. 그 생각은 정확하였다. 일반 상대성 이론을 이용하여 계산한 결과 그 주기의 변화와 완전히 일치한 것이다. 그들은 이것으로 간접적으로 중력파를 탐지할 수 있다는 사실을 알려주었다. 그리고 이 공로로 그들은 1993년 노벨 물리학상을 받게 된다.

그리고 마침내 2002년 새로운 방식의 중력파 탐지 장치가 만들어 지는데 이것이 바로...

LIGO

간편하게 LIGO라고 부르지만 정식 명칭은

Laser Interferometer Gravitaional-Wave Obsevatory.

뜻은 레이저 간섭계 중력파 관측기.

대략 이렇게 생긴 연구소인데 저 직각으로 된 곳을 빛이 수백번 왕복한다. 각 4km.

이 물건은 두 개로 나눠져 운영되는데 루이지애나주의 리빙스턴에 위치한

LIGO 리빙스턴 관측소(북위 30° 33′ 46.42″서경 90° 46′ 27.27″)와

워싱턴주 리칠랜드 근처 DOE 핸포드 사이트에 위치한

LIGO 핸포드 관측소(북위 46° 27′ 18.52″서경 119° 24′ 27.56″)

로 이루어져 있으며 중력파가 지구를 향해 날아들 때 이 두곳에서 동시에 관측이 수행된다. 중력파는 빛의 속도로 모든 것을 다 뚫고 지나치므로 고작해야 12,800km정도 되는 지구 지름을 생각해보았을 때, 어디에 지어도 거의 동시에 관측된다고 보면 된다. 그렇다고 진짜로 아무데나 지어서는 안 된다.

이 두 관측소 사이의 거리는 대략 3,002km.

이 두 관측소 사이에 설치된 레이저 간섭계를 통해 수신한 신호를 서로 비교하는 방식으로 관측이 이루어지는데 2002년부터 2010년까지 가동을 했지만 어떤 것도 검출하지 못하였다. 그리하여 가동중지 후 업그레이드를 거쳐 Advanced LIGO라는 이름으로 대체되었다.

재미있는 사실은 초창기때는 연구원들의 능력을 검증하기 위해 가짜 중력파 신호를 날리기도 했었다고...

2-2-1. 레이저 간섭계

LIGO의 방식은 레이저 간섭계라고 불린다.

레이저 간섭계란 말 그대로 레이저의 간섭을 이용하는 측정기로써 미국의 물리학자 알버트 에이브러햄 마이컬슨(Albert A. Michelson)가 개발한 것을 LIGO에 맞게 크게 키운 것이다.

레이저라는 물건은 광자를 결맞음 상태로 놓아 모두 한 방향으로 향하게 만들어 주사성을 높혀 놓은 빛이다. 쉽게 얘기하면 이 레이저에 속한 광자 하나하나의 파장은 모두 같다는 소리. 여기서 우리는 간섭 현상이라는 것을 알아야 한다.

이를 위해 먼저 중학교때 배운 파동을 떠올려야 한다.

중학교 물리 교과서에 있는 내용이다. 아니 초등학교인가.

파동에서 가장 높게 올라간 것을 마루, 가장 내려간 것을 골이라고 한다. 그렇다면 여기서 두 개의 파동이 만나면 어떻게 되는가?

마루 + 마루 = 2마루

골 + 골 = 2골

그리고

마루 + 골 = 0이 되버린다. 즉 이러한 빛의 파동은 눈에 보이지 않는다.

이 원리에서 레이저 간섭계의 원리가 나온다.

파일:/api/File/Real/57973a10786a0b42100b5b67

레이저를 Beam Splitter라는 곳으로 쏴보낸다. 이것은 들어온 레이저의 반은 통과시키고 반은 반사시키는 신박한 물건이다. 이것을 45º로 맞춰놓으면 아무런 간섭현상도 일어나지 않는다. 두 개로 갈라진 레이저는 photodetector라는 곳으로 모인다. 이 photodetector는 말 그대로 광자를 측정하는 장치로 평소에는 아무런 일도 일어나지 않는다. 하지만 중력파가 이 검출기를 통과하는 순간. 빛이 아주 짧은 시간 동안 밝기가 변한다. 간섭현상이 일어난 것인데 바로 공간 자체가 흔들렸기 때문에 두 레이저 간에 간섭 현상이 일어난 것이다!

결과

물론 관측에 성공했다.

2016년 2월 11일은 물리학계의 축제였다.

핸포드와 리빙스턴의 측정값 비교.

이 중력파의 근원은 13억 광년 떨어진 두 블랙홀의 충돌로 인해 새로운 블랙홀이 되는 과정에서 생겨난 것이라고 한다. 두 블랙홀은 각각 태양의 36배, 29의 질량을 가지고 있었는데 이 충돌로 인해 태양의 62배의 질량을 가진 하나의 천체가 되었다. 즉 태양 3개분의 질량이 어디론가로 사라졌다는 것인데 이것이 바로 중력파의 형태로 발산되어 13억년이 걸려 지구에 도착한 것이다. 이것이 그 유명한 E=mc² 의 실체. 손실된 질량이 에너지의 형태로 전환된다는 것이다.

사실 이 발견은 정말 기적적이라고 할 수 있다. LIGO를 가동하면서도 2020년까지 발견되지 않을 수도 있다는 회의적인 시각도 있었다. 그런데...

13억년을 달려온 이 중력파를 탐지하지 못하면 다른 중력파가 지구에 도달할 때 까지 또 얼마나 걸릴지 알 수가 없다. 이때의 발견은 중력파가 지구를 통과하기 불과 30분전에 가동시킨 것이었다. 그것도 업그레이드를 끝내고 이제 막 가동을 시작한 것. 업그레이드 작업이 조금 더 늦어졌다면 이 위키도 작성되지 않았을 것이다!

그 후

이것이 가져다 주는 의미는 엄청나게 많지만 단 한 가지를 뽑으라면 인류에게 우주를 보는 새로운 눈이 생겼다는 것을 뽑을 수 있겠다. 물론 100년 전에 이미 예측한 존재이므로 완전히 새로운 발견은 아니다. 하지만 그 예측을 발견한 것이 큰 업적. 물리학계에선 한때 신의 입자라는 별명으로 세계를 떠들썩하게 했던 힉스입자의 발견과 비견될 정도라고 한다.

맨 눈으로 천체를 관측하던 인류에게 처음으로 새로운 세계가 열린 것은 망원경의 발명이었다. 그 후, 가시광선만을 이 세상의 모든 빛이라고 생각하던 인류는 적외선, 자외선과 전파, 마이크로파, X선 등의 새로운 빛을 가지고 우주를 탐사하고 보이지 않는 것을 보아왔으며 마침내 중력파를 실제로 확인하게 되어 이제 더 넓은 세계로 향할 수 있게 되었다. 앞서 말했다시피 중력파는 모든 것을 뚫고 지나가는 놈이라서 블랙홀의 내부나 은하의 중심부같은 기존의 도구와 지식으로 볼 수 없었던 곳을 엿볼 수 있는 가능성을 얻게 되었다.

아직 중력파를 관측한지 1년도 채 되지 않는 시점이라 이것으로 무엇을 할 수 있는지 정확히 알 수는 없으나 시간이 지나고 중력파의 응용이 본격화 되면 더 넓은 우주를 관측할 수 있을 것이다.

여담으로 이 발견으로 인한 논문에 아인슈타인의 100년 전 논문, 일반 상대성 이론이 레퍼런스로 들어갔다. 아인슈타인의 위엄을 엿볼 수 있는 지점.

그리고 2017년 이후 수능 물리과목에 중력파가 나올 가능성이 높아졌다. 생각해보면 이게 가장 현실적으로 우리에게 와닿는 부분인듯.