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오현수    상대성이론의 마지막 관문 ‘중력파’ 2013/01/24

일반상대성 이론에 따르면 중력은 시공간을 휘게 만드니 진동하는 중력장에선 시공간의 흔들림도 진동한다.
이런 시공간 흔들림이 물결처럼 전파되는 현상인 중력파의 존재는 아인슈타인의 이론을 검증하는 주요한 근거의 하나가 됐다. 하지만 존재한다고 여겨지지만 관측 대상이 되는 중력파의 파동 크기는 너무도 작아서 현존하는 중력파 검출 장비의 성능으로는 우주의 거대 천체에서 날아오는 중력파를 이제껏 실제 검출한 적은 없다.
이제 중력파 검출 장비의 성능을 10배가량 높여 2015, 2016년에는 중력파를 실제 검출하자는 국제 협력연구가 한창 진행 중이고, 여기에는 소수이지만 한국 연구자들도 2009년부터 참여하고 있다.


▶ 중력파라는 건 무엇인가? 중력의 여파인가, 중력의 원천인가?
전기장이 흔들릴 때 나타나는 전파적 현상을 빛(전자기파)이라고 정의한다면, 중력파는 중력장이 흔들릴 때 나타나는 전파적인 현상을 말한다. 빛 속도로 전파되며 거기에는 진동수가 있다. 잔잔한 물에 돌을 던지면 물결이 일고 거기에 파가 생기는데, 파는 일정 속도로 전파된다. 중력파도 중력의 변화로 생기는 중력장의 흔들림이 전파되는 것이다.

▶ 지금까지 한 번도 검출된 적이 없는 건가?
아인슈타인의 일반상대성 이론에 의하면 전자가 진동할 때 전자기파가 발생하는 것과 비슷하게 중력장의 요동은 빛의 속도로 전파되는 중력파를 만들어낸다. 이런 중력파의 존재는 이론적으로는 잘 알려져 있지만 측정이 매우 어려워 아직도 직접 검출을 하지 못하고 있다. 1974년에 펄사 쌍성계에서 중력파의 간접 효과가 관측된 적이 있지만 직접 효과가 검출된 적은 없다. 지금까지 중력파를 검출해낼 정도로 감도가 충분한 검출기가 없었기 때문이다. 현재 라이고의 성능을 높여 '차세대 라이고'를 만들고 있는데 그렇게 되면 검출 감도가 높아질 것으로 기대한다. 2015년, 2016년 무렵에 차세대 라이고가 정식 가동하면, 대략 한 달에 한 건 정도로 중력파가 검출될 것으로 기대하고 있다.

▶ 중력파는 단 한 번이라도 검출돼도 그 자체로 중력파의 존재를 인정받는 것인가?
한 건이라도 검출되면 그건 큰 사건이 된다. 그러나 뭐든지 처음 보는 현상은 이게 진짜인지 아닌지 확인하는 작업이 뒤따라야 한다. 그러니 한 건의 검출만으로 100퍼센트 확신하기에는 어려울 수 있다. 그러나 중력파가 계속 검출되면서 확인될 것이다.

▶ 중력파는 질량이 있는 물체 어디에서나 나오는 건가? 우리 몸에서도 중력파가 나오는데, 너무도 미약해서 검출할 수 없을 뿐인 건가?
그렇다. 블랙홀이나 중성자별의 충돌에서 나오는 것처럼 강한 중력파만을 검출할 수 있다.

▶ 중력파가 실제로 검출된다면 무엇이 달라지나?
먼저 물리학의 관점에서 말하면, 중력파의 존재는 아인슈타인의 일반상대성 이론에서 검증되지 않은 마지막 관문이라고 볼 수 있다. 중력파의 존재 자체를 의심하는 사람은 지금 거의 없지만, 실제 검출되면 일반상대성 이론을 검증하는 근거가 된다. 물론 이런 의미 한 가지를 위해서 거대과학인 중력파 검출 실험을 하는 것은 아니다. 중력파가 검출되고 또 계속 검출되면 중력파의 속성 연구도 할 수 있을 뿐 아니라 천체 연구에도 크게 응용될 수 있다. 현재 천체 연구는 대부분 빛을 이용하는데, 중력파를 검출하면 중력파가 우주를 보는 새로운 망원경 구실을 할 것이다.

빛(전자기파)과 더불어 중력파도 우주 관측 수단이 되어 강한 중력장과 관련한 많은 천체 현상을 관측할 수 있게 된다. 예컨대 블랙홀의 생성이나 충돌, 중성자별의 충돌을 중력파로 관측할 수 있다. 또 우주론 차원에서 말하면, 우주에는 (우주 초기 시대를 엿볼 수 있는 흔적으로서) 우주배경복사라는 게 있는데, 이것 말고 우주배경중력파라는 것도 있다. 우주배경복사는 우주 탄생 38만 년 이후를 보여주지만, 배경중력파는 그 이전의 시기도 보여준다. 물론 차세대 라이고가 배경중력파를 관측할 정도의 감도를 지니는 것은 아니지만 앞으로 계속 더 높은 감도의 중력파 검출기가 만들어진다면, 가능한 일이다. 그러면 중력파 검출기는 우주 탄생 직후의 순간을 직접 관측하는 수단이 될 것이다.





     
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