중력파(Gravitational Wave) 란 무엇일까?

질량을 가진 물체에 의해 왜곡된 우주의 시공간

중력파(Gravitational Wave) 란 무엇일까?

중력파는 시공간이 뒤틀릴 때 발생하는 파동을 말한다. 생명이 다한 별이 폭발하거나 별의 충돌, 블랙홀 결합 등 질량이 큰 거대한 물체의 급격한 변화로 인해 시공간이 일그러지면서 발생해 빛의 속도로 진행하는 파동이다. 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 통해 중력파의 존재를 예견했다. 아인슈타인은 중력파가 이론만으로 만 존재할 것이라 생각했지만 2016년 2월 11일 레이저 간섭계 중력파 관측소인 라이고 관측소에 의해 처음으로 중력파가 관측되었다. 지구로부터 13억 광년 떨어져 있는 2개의 블랙홀이 결합하면서 발생한 중력파를 발견한 것이다. 중력파를 발견한 라이너 바이스, 배리 배리시, 킵 손은 2017년 10월 노벨 물리학상을 수상하기도 했다.

 

중력파에 대해 더 자세히 알기 위해 중력에 대해서 알아보자. 아인슈타인은 일반 상대성 이론에서 중력이 물체를 끌어당기는 것은 시공간이 휘어져 있기 때문이라고 했다. 중력은 질량이 있는 모든 물체가 우주의 시공간을 일그러지게 해서 작용하는 현상이라고 봤다. 우리가 살고 있는 우주는 시공간으로 되어 있는데 질량을 가진 물체가 우주의 시공간이라는 면에 놓이면 우주의 시공간을 왜곡시켜 휘어져 곡면을 만들고 질량을 가진 다른 물체가 곡면을 따라 그 중심으로 끌려가는 힘을 중력이라고 한 것이다.

 

우리가 살고 있는 시공간은 물체의 질량에 의해 시공간이 왜곡되면 시공간에 영향을 준다. 그러면 막대한 질량의 변화가 가해지면 미세하게 진동할 것이고 이것을 중력파라고 본 것이다. 중력파는 시공간이 일그러지면서 발생하는 우주의 물결이라 할 수 있다. 잔잔한 호수에 돌을 던지거나 배가 이동을 하면 물결이 일어나듯이 질량을 가진 물체가 가속 운동을 하여 시공간이 일그러지면 시공간이 출렁이며 파동이 발생하는데 이것이 중력파인 것이다. 

 

중력파가 발생하는 현상은 블랙홀 충돌이나 초신성 폭발, 중성자별 충돌 등 질량이 급격히 변화하면서 시공간이 뒤틀릴 때이다. 2016년 관측한 중력파도 13억 년 전 일어난 블랙홀의 충돌로 방출된 것으로 추정했다. 블랙홀의 충돌은 중성자별 충돌보다 더 강력한 중력파가 방출된다고 한다. 두 개의 블랙홀이 충돌해 더 무거운 하나의 블랙홀이 될 때 블랙홀의 질량 일부는 에너지로 바뀌고 충돌 마지막 순간 강력한 중력파를 방출한다. 2016년 관측한 중력파도 13억 년 전 일어난 블랙홀의 충돌로 방출된 것으로 추정했다. 충돌한 블랙홀의 질량은 각각 태양 질량의 29배와 36배 정도이다. 큰 질량의 두 블랙홀이 결합하면서 태양 질량의 약 3배 정도가 중력파 에너지로 전환된 것으로 보인다고 한다. 그래서 13억 년에 이르는 거리에도 불구하고 중력파가 검출될 수 있었던 것이다.

 

아인슈타인은 일반 상대성 이론에서 중력파를 예견하면서도 이론적으로만 존재한다고 생각한 것은 중력파가 검출하기에는 너무 약하고 중력파의 효과가 너무 작아서 실제로 관측되는 일은 없을 것이라고 예측했기 때문이다. 그러나 2016년 블랙홀의 충돌로 인한 중력파를 처음으로 관측하고, 2017년 10월에도 중성자별 충돌로 발생한 중력파가 관측됐다. 과학이 발전하면서 새로운 증거들이 더해가고 있어 상대성 이론이 우주를 보는 인식을 얼마나 확장시켰는지 알 수 있다.