잠자는 숲속의 중력파

우주 곳곳에서 조용히 잠자고 있던 중력파가 백 년 만에 제 모습을 드러냈다. 1916년, 아인슈타인이 일반 상대성 이론과 함께 중력파를 언급했을 땐 아무도 그 말을 믿지 않았다. 하지만 1974년, J. 테일러와 R. 헐스가 쌍성 펄서의 공전주기로 중력파의 존재를 간접적으로 증명해 내 노벨 물리학상을 수상하고 2016년 02월 12일에 사상 최초로 중력파를 관측했다는 기자회견이 열리게 되어 중력파의 존재가 증명되었다. 그렇다면 중력파의 존재는 무엇이고, 중력파 관측은 어떤 의미를 지니는 걸까?

 

중력파(Gravitational wave)는 말 그대로 중력의 파동이라는 뜻이다. 일반상대성이론에서 아인슈타인은 질량을 가진 물체가 시공간에 영향을 끼친다고 했고, 이때 이 물체의 질량이 일으키는 시공간의 출렁임이 중력파이다. 쉽게 비유하자면, 탱탱한 매트리스 위에 무거운 쇠공을 올려놓았다고 가정하면, 매트리스는 위아래로 진동하다 그 폭이 점점 줄어들며 쇠공을 중심으로 푹 패인 모양을 유지할 것이다. 반대로, 쇠공을 갑자기 들어 올린다면, 이번에도 역시 잠시 동안 출렁거리다 원상태로 돌아갈 것이다. 이때 매트리스의 출렁임을 중력파라고 한다.

우주의 네 가지 힘 중에서 중력은 그 세기가 가장 작다. 지구의 질량마저 우주에서는 미미한 존재이기 때문에, 이번에 중력을 관측한 고급 레이저 간섭계 중력파 관측소, 줄여서 라이고(LIGO)는 지구 밖으로 눈을 돌렸다. 지구에서 13억 광년 떨어진 곳에 있던 두 블랙홀의 충돌을 이용한 것이다. 두 블랙홀은 질량이 각각 태양 질량의 29배, 36배이었는데, 하나로 합쳐지면서 62배가 태양의 질량의 3배만큼 이 사라졌다. 이 사라진 태양의 3배만큼의 질량이 중력파로 관측된 것이다. 하지만, 여기서 놀라운 점은, 이런 어마 무시해 보이는 크기의 질량이 지구에게 영향을 미치는 시간은 단 0.2초라는 것이다. 라이고(LIGO)는 4KM 길이의 기압이 0에 가까운 두 터널을 직교하게 붙이고, 그 끝에 거울을 위치시켰다. 터널의 교차점에서 두 거울에 레이저를 쏘게 되면 다시 반사되어 돌아오게 되는 시간을 이용해 거울 사이의 거리를 구하게 되면 보통은 두 레이저가 상쇄되는데, 이때 0.2초 동안 중력장이 터널의 크기를 변화시켜 두 거울 사이의 거리를 원자핵 속 양성자의 1/1000만큼 변화시킨다. 이 미세한 크기를 잡아내어 중력파를 관측한 것이다.

 그럼 우리 생활과 전혀 관련이 없어 보이는 중력파가 갖는 의미는 무엇일까? 단지 백 년 전 아인슈타인의 이론을 재확인한 것일까?

먼저, 전자기력, 강력, 약력은 IT 기술이나 수소 폭탄, 방사능 붕괴 등 많은 연구가 이루어지고 있는 반면 중력은 그 크기가 너무 작아 상대적으로 그 활용방안이 구체적으로 연구되지 않았다. 하지만 이번 중력파의 발견을 통해 중력의 세계에 더 깊게 들어가 볼 수 있었기 때문에, 중력파의 분석을 통해 알아낸 것들과 중력의 여러 가지 특징을 이용하면 가까운 미래에 중력을 이용한 기술들이 나올 것이다.

또한, 천체 관측 방법의 진화에서 또 다른 의미를 가진다. 티코 브라헤가 맨눈으로 하늘을 관측할 때부터 갈릴레이와 케플러의 천체 망원경, 그리고 지금의 허블 우주 망원경까지 다양한 망원경이 만들어졌다. 그러나 어떠한 물질에도 영향받지 않는 중력파를 이용해 망원경을 만든다면 우리가 지금까진 볼 수 없었던 우주의 새로운 모습을 관측할 수 있을 것이다.

[대한민국청소년기자단 IT과학부=3기 김준영기자]