[1분과학] 우주의 시공간이 뒤틀릴 때 발생하는 중력파!!! (놀라운 중력의 비밀)

시공간이 뒤틀리면 어떤 일이 일어날까?

아니, 어떻게 해서 시간과 공간이 뒤틀릴 수 있단 말인가?

 

중력파!

21세기 최대 발견이라며 전 세계 과학계를 흥분시켰던 중력파에 대한 뉴스!

모두 한 번쯤 들어봤을 것이다.

 

아인슈타인은 1915년 일반 상대성이론을 통해

시공간이 뒤틀릴 때 발생하는 중력파의 존재에 대해 예견했지만,

이론으로만 존재하고 기술적으로 발견할 수 없을 것이라는 게 아인슈타인의 생각이었다.

 

그로부터 딱 100년이 지난 2015년,

정말 경이로울 정도로 놀라운 과학기술로 만들어낸 중력파 관측소 LIGO에서 중력파를 발견해낸 것이다.

 

“시공간의 뒤틀림으로 일어난 우주의 물결을 감지해낸다” 라는 사실이 믿겨지는가?

연구팀은 LIGO에서 2016년 두 번째 중력파를 발견했고, 2017년 6월 1일! 세 번째 중력파 발견 소식을 전했다.

 

도대체 중력파가 얼마나 대단한 것이길래 이렇게 난리일까?

중력파는 전혀 어려운 개념이 아니다.

단지 정말 정말 정말 정말 재밌을 뿐!

 

중력파는 두 개의 거대한 블랙홀이 충돌하거나, 생명을 다한 별이 폭발하는 등 우주에 존재하는 거대한 물체의 “급격한 움직임” 으로 인해 우주의 시공간마저 뒤틀릴 때 발생하는 물결이다.

 

이를 이해하기 위해선 먼저 중력에 대한 개념을 바로잡고 갈 필요가 있다.

중력은 질량이 있는 두 물질이 서로를 끌어당기는 힘을 말한다.

자기력을 가진 돌덩어리가 쇳덩어리를 끄는 자력의 원리와는 달리,

중력은 질량을 가진 물체가 우주의 시공간이라는 ‘면’ 위에 놓여져 우주의 시공간을 왜곡시키고,

곡률이 생겨버린 시공간의 곡면을 따라 질량을 가진 다른 물체가 곡면을 타고 ‘떨어지는’ 것을 말한다.

 

지구가 태양의 중력을 ‘느껴서’ 지구가 태양에 끌린다 라기 보다,

태양의 커다란 질량이 시공간의 면을 왜곡해 만들어낸 곡면을

지구가 그대로 따라 자연스럽게 떨어지는 것이다.

영상 속 댄 번 교수는 파란 천과 구슬 몇 개를 이용해 중력의 원리를 아주 쉽게 설명하고 있다.

 

달이 지구를 공전하는 이유도 마찬가지다.

달은 지구와 함께 태양이 만들어낸 거대한 곡면을 따라 떨어지지만,

자신의 옆에 있는 지구가 만들어낸 곡면을 따라 지구 주위 또한 뱅뱅 돌며 지구를 공전한다.

 

태양도 예외는 아니다.

우리의 태양은 은하를 중심으로 공전하고 있다.

이게 바로 우주의 시공간이고, 중력이 만들어지는 이유인 것이다.

 

이 놀라운 사실을 아인슈타인은 100년 전 이론적으로 증명했고,

이것은 뉴턴이 생각하던 중력의 원리와 완전히 다른 것이었다.

 

그러나 아인슈타인은 여기서 멈추지 않고 자신의 이론을 더 발전시켜 나갔다.

만약 질량이 있는 물체가 시공간이라는 면을 휘어 중력을 만들어내는 것이라면,

커다란 질량을 가진 두 물체가 그 ‘면’ 위에서 급격하게 움직이며 엄청난 물결을 만들어낼 때 그 물결은 시공간이라는 면을 따라 쭉 퍼져나가지 않을까?

 

트램폴린 위에 아이들이 가만히 서 있으면 진동이 일어나지 않지만,

아이들이 마구 뛰어다니기 시작하면 트램폴린 천이 파동을 타고 출렁이는 것처럼 말이다.

 

아인슈타인은 일반 상대성이론으로 중력파의 존재를 정확히 예견했고,

100년이 지난 지금 우리는 드디어 중력파의 존재를 입증해낸 것이다.

 

지난 2015년 LIGO팀이 처음으로 발견한 중력파는

13억 광년 떨어진 두 개의 거대한 블랙홀이 서로를 향해 빠르게 공전하다가 합쳐지는 순간 시공간을 비틀며 만들어낸 중력파다.

13억 광년 떨어진 두 개의 블랙홀이 만들어낸 중력파...

 

다시 말해 지금 지구에 도달한 이 중력파가 13억 년 전 두 개의 블랙홀이 만들어낸 중력파라는 것이다.

도대체 얼마나 큰 녀석들이 얼마나 격렬한 춤을 추었길래 시공간의 출렁임이 지구까지 도달했을까?

 

이 두 개의 블랙홀 중 하나는 태양 29개의 질량과 같은 크기였고

다른 하나는 태양 36개의 질량과 같은 크기였다.

그들이 하나의 블랙홀로 합쳐지며 중력파라는 물결을 만들어낸 것이다.

 

인간의 질량을 재는 단위는 kg이지만, 블랙홀의 질량을 재는 단위는 태양이다.

29태양. 36태양.

 

그렇다면 연구팀은 이 중력파를 어떻게 관측할 수 있었을까?

중력파가 지구에 도달하면, 시공간의 출렁임으로 인해 지구 위의 공간 또한 줄어들고 늘어나는 변형이 일어난다.

 

따라서 중력파가 지나갈 때 서로 다른 방향으로 뻗어있는 두 공간의 거리의 상대적 변화를 관측하면 되는데,

그동안 이것을 관측하기가 그토록 힘들었던 이유는

이 거리의 변화가 원자의 지름도 되지 않는 아주 작은 미세한 변화였기 때문이다.

 

우리는 이 변화를 관측할 수 있는 장치를 성공적으로 만들어내는 데 100년이 걸린 것이다.

현재 미국 워싱턴 주와 루지애나 주에 있는 LIGO는

넓은 평지 위에 4km짜리 진공터널 두 개가 정확히 90도의 각도로 뻗어있고,

그 긴 터널 안에는 터널을 쭉 뻗어 나가는 레이저 빛이 있다.

 

우주에서 빛의 속도는 언제나 일정하고 하고,

긴 터널을 뻗은 두 갈래 빛의 위상 또한 항상 일정해야 하지만,

아주 특별한 조건이 충족되면 이 위상이 어긋날 수 있다.

 

바로 시공간 자체가 어긋나면 된다.

이 원리를 이용해 과학자들은 중력파를 감지해낸 것이다.

 

LIGO가 감지한 파동은 아인슈타인의 일반 상대성이론을 이용해 현대의 슈퍼컴퓨터가 계산한 중력파의 파동과 정확히 일치하는 파동이었다.

정말 너무 멋지지 않은가?

 

이 중력파의 파동을 음성 정보로 변환하면 중력파의 소리까지 들을 수 있다.

‘29태양’과 ‘36태양’이 충돌할 때 만들어진 중력파의 소리! 들어볼 준비 되었는가? ㅎㅎ

 

...04:47...

다시 한번

 

블랙홀치고는 소리가 너무 귀여운 것 같다.

ASMR로 만들어 잘 때 들어도 될 것 같은 소리다.

그래도 13억 광년 떨어진 거리에서 발생한 파동이라고 하니... ㅎㅎ

 

그러나 중력파의 발견이 과학계에 미칠 영향은 이 소리보다 훨씬 웅장하다.

전 세계 과학계가 중력파 발견 뉴스를 그토록 환영했던 이유는 이것이 우주의 수수께끼를 풀 수 있는 강력한 도구가 될 수 있기 때문이다.

 

여태까지 우주를 관찰하는 방법은 우리가 눈으로 관찰하는 방법, 즉 빛을 이용한 방법이었다. 그러나 이 빛은 앞에 물체가 있으면 통과할 수가 없기 때문에 우주를 관측하는 데 있어서 제한되는 것이 많지만,

중력은 우주 어느 곳에나 존재하며 모든 물체를 통과할 수 있기 때문에, 그동안 관측하지 못했던 많은 것을 관측할 수 있게 된다.

 

눈으로만 보고, 귀로는 듣지 못했던 사람이 이제 귀까지 사용할 수 있게 되는 것과 같다.

집에서 문을 닫고 있으면, 문 너머에 누가 서 있는지 눈으로는 볼 수 없지만,

문밖에서 내는 소리, 즉 공기의 진동을 타고 오는 음성을 들으면 문밖에 누가 서있는지 알 수 있는 것처럼 말이다. (“택배요~”, “짜장면이요~”)

 

따라서 우리는 이제 빛을 이용해 풀 수 없었던 많은 미스터리들,

블랙홀의 형성 과정이나, 블랙홀 속에 무엇이 있는지에 대한 문제도 풀 수 있을 것이며,

과거 우주의 모습, 즉, 우주의 기원은 무엇인지, 빅뱅은 어떻게 시작되었는지도 알아낼 수 있는 가능성이 생긴다.

 

이런 놀라운 일들이 모두 지금 우리 세대,

지금 우리 세대에 일어나고 있다는 사실이 정말 흥분되지 않는가!