기 타 과학자들 중력파 직접 탐지 성공

중력파를 발견했다고 미국 워싱턴 DC 의 NSF에서 기자회견하는 과학자들입니다.

아인슈타인이 예견했던 중력파가 발견되었습니다.

아인슈타인의 상대성 이론에서 나오는 중력파는 물질과 상호 작용을 하지 않아 그동안 관측이 되지 않았습니다.

1988년부터 미국의 MIT와 Caltech 두개의 대학은 NSF(National Science Foundation)과 세계 각국의 연구기관, 그리고 개인의 지원을 받아 완전히 똑같은 두개의 실험 장치를 미국 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸포드에 설치한 후 측정에 들어갔습니다. LIGO는 NSF가 단일 프로젝트에 지원한 연구비중 최대 투자 프로젝트입니다.

LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) - '라이고'라 읽음 - 라는 이름의 실험장치는 90도 각도로 벌어진 길이 2.5 마일의 진공 튜브로 구성되어 있습니다. 참고로 LIGO의 공동 창립자(Co-Founder)중 하나인 Kip Thorne 칼텍 명예교수는 영화 인터스텔라의 과학 고문을 지내기도 했습니다.

레이저가 두개의 튜브를 지나는 동안 검출기에 중력파가 지나가면 레이저 광선이 지나가는 길이의 차이가 아주 미세하게 발생합니다. 길이의 차이는 10^-19 m(0.000 000 000 000 000 000 1 m) 혹은 그보다 더 짧은 길이로 상상하기도 어려운 아주 짧은 거리입니다. 자세한 LIGO의 동작 원리는 위의 유튜브 영상 26분 45초부터 보세요.

이번에 이 차이를 검출해 중력파가 실제로 존재한다는 사실을 입증했습니다.

이번 중력파 발견 소식의 내용은 이렇습니다. 지금으로부터 13억년전 (다른 말로 13억 광년 떨어진 지점) 태양 질량의 30배 정도 되는 두개의 블랙홀이 충돌합니다. 질량은 태양의 30배 정도지만 크기는 지름이 150 km 정도로 엄청나게 밀도가 큰 두개의 천체가 빛의 속도의 1/2의 속도로 충돌하며 하나의 커다란 블랙홀이 됩니다. 이때 엄청난 중력파가 발생하고 중력파는 빛의 속도로 13억년동안 우주를 가로질러 전파되어 오다가 2015년 9월 14일 지구에 도달합니다.

작년 9월 14일에 리빙스턴과 핸포드에 있는 두개의 LIGO에 거의 동시에 시그날이 측정됩니다. 과학자들은 검토에 검토를 거친 후 드디어 중력파를 검출했다는 것을 확신합니다. 당시 과학자들은 그들의 관측 결과가 5 SIGMA (350만번 측정에 한번 오차) 정확도로 측정되었다고 밝힙니다.

두개의 블랙홀 충돌로 엄청난 중력파가 발생했지만 13억년 동안 우주를 지나오는 동안 그 크기는 원자핵의 1/1000 크기로 작아졌고 이를 이번에 탐지하는데 성공했습니다. 참고로 이번 실험에 동원된 LIGO의 정확도는 태양에서 가장 가까운 항성까지의 거리인 3.25 광년 사이에 머리카락 두께의 거리를 측정할 수 있는 정확도입니다.

과학자들은 이번 중력파 검출의 의미를 400년전 갈릴레오가 천체망원경으로 처음 우주를 관측한 것과 같은 의미라고 하며 앞으로 중력파를 이용한 새로운 천체 관측이 이루어지게 됩니다. 중력파는 물질과 반응하지 않으므로 물질과 반응하는 지금까지의 전자기파(가시광선, 전파, 자외선, 적외선, X 선, 감마선등)을 이용한 관측과는 근본적으로 다른 관측이 가능합니다.

이번 관측 결과 그래프를 추가합니다.

리빙스턴에 있는 LIGO가 2015년 9월 14일 최초로 측정한 중력파 시그날입니다. 두개의 블랙홀이 충돌 후 엄청난 중력파를 방출한 후 서서히 사그러져 가는 모습입니다. 이를 과학자들은 종을 치는 것에 비유합니다.

리빙스턴 관측소에서 시그날을 수신한 후 7 ms (7/1000 초) 후에 역시 핸포드 관측소에서도 동일한 시그날이 수신됩니다.

두개의 시그날에 두개의 블랙홀이 합쳐져 하나의 블랙홀이 될때의 블랙홀 질량을 넣어 아인슈타인의 상대성 이론을 시뮬레이션한 모습을 실제 수신한 중력파 시그날과 오버랩 시킨 결과입니다. 놀랍도록 비슷합니다.

리빙스톤에서 수신한 시그날(파란색)과 핸포드에서 수신한 시그날(주황색)을 오버랩 시킨 이미지

파형은 각각 태양의 29배와 36배의 질량을 가진 두개의 블랙홀이 하나로 합쳐지면서 질량이 태양의 62배인 새로운 블랙홀이 생김을 알려줍니다. 이때 태양 질량의 3배에 해당하는 질량이 불과 20 ms(2/100 초) 동안에 줄어듭니다. 줄어든 질량이 에너지로 변해 엄청난 중력파의 모습으로 우주로 퍼져 나갔습니다. 이때 순간적으로 발생하는 에너지는 우주 전체의 항성이 방출하는 에너지의 50배에 이르는 엄청난 에너지입니다. 태양 질량의 3배가 불과 20 ms라는 짧은 시간에 에너지로 변환되어 생기는 현상입니다.

위의 그래프를 보시면 왼쪽에 주파수가 나옵니다. 주파수대를 잘 보시면 가청주파수대입니다. 즉 해당 주파수는 우리 인간의 귀로 들을 수 있는 소리대의 주파수입니다. 새로 업로드한 유튜브 영상을 보시면 해당 주파수를 실제로 소리로 재현한 부분이 나옵니다. 길이가 약 0.3초 분량이라 아쉽지만 중력파를 실제로 들을 수 있다는 점이 놀랍습니다. 위의 유튜브 동영상에서 18분 55초부터 보세요.

https://www.scientificamerican.com/video/gravitational-waves-are-the-ringing-of-spacetime/

https://edition.cnn.com/2016/02/11/us/gravitational-waves-feat/index.html

https://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2016/02/12/0200000000AKR20160212001000017.HTML?input=1195m

https://www.ligo.org