중력파

그러나 그는 그 효과가 너무 미미해서 결코 입증할 수 없을 것이라고 생각했다. 이는 오산이었다. 지난 100년간의 연구 여정을 거치며, 이 천년 동안 물리학계에서 가장 큰 성과를 거두기까지의 이야기.

1916

중력파의 존재

알베르트 아인슈타인은 “중력장 방정식의 근사적 적분”이라는 제목의 논문을 발표했다. 이 논문에서 그는 처음으로 중력파의 존재를 예측했다. 그는 1915년에 발표한 일반 상대성 이론의 방정식에서 중력파를 도출해 냈다.

1918

새로운 공식

알베르트 아인슈타인은 중력파 방출에 관한 공식을 제시했는데, 이 공식은 오늘날까지 과학계에서 거의 변함없이 유효한 것으로 인정받고 있다.

1936

중력파는 존재하는 것일까, 아닐까?

아인슈타인은 자신의 이론의 타당성에 의문을 품게 된다. 그는 동료인 네이선 로젠과 함께 중력파의 존재를 반박한다는 논문을 집필한다. 한 심사위원이 논증 과정에서 오류를 발견했고, 결국 이 논문은 전혀 다른 결론과 함께 출판된다. 중력파가 존재하는지 여부에 대한 의문은 여전히 남아 있다.

아인슈타인은 자신의 이론의 타당성에 의문을 품게 된다. 그는 동료인 네이선 로젠과 함께 중력파의 존재를 반박한다는 논문을 집필한다. 한 심사위원이 논증 과정에서 오류를 발견했고, 결국 이 논문은 전혀 다른 결론과 함께 출판된다. 중력파가 존재하는지 여부에 대한 의문은 여전히 남아 있다.

1957

“스티키 비드” – 사고 실험

노스캐롤라이나주 채플힐에서 아인슈타인의 상대성 이론에 관한 국제 컨퍼런스가 열리고 있다. 이 회의의 중심에는 리처드 파인만의 유명한 '스티키 비드(Sticky Bead)' 사고 실험이 있습니다. 이 실험에서 파인만은 막대 위에서 위아래로 움직이며 마찰로 열을 발생시키는 작은 구슬에 중력파가 미치는 영향을 설명합니다. 연구자들은 중력파가 반드시 존재해야 한다는 결론에 도달합니다.

1960

물리학자 조셉 웨버는 중력파가 일으키는 미세한 현상을 입증하기 위한 첫 번째 실험을 시도하고 있다.

1969

검증이 성공했나요?

베버는 중력파를 관측하는 데 성공했다고 발표했다. 이 소식은 큰 파장을 일으켰고, 전 세계 과학자들이 후속 실험에 나설 수 있도록 자극했다. 그러나 이러한 실험 중 어느 것도 베버의 발견을 입증하지는 못했다.

1974

간접적 증거

미국의 천문학자 조셉 테일러와 러셀 헐스는 중력파를 간접적으로 관측하는 데 성공했다. 이들은 두 별의 공전 주기가 극히 느리지만 꾸준히 짧아지고 있음을 발견했다. 즉, 이 항성계는 분명히 에너지를 잃고 있는 것이다. 연구진이 이 현상에 대해 내린 유일한 설명은 중력파의 방출이다.

1992

미국 연구진이 LIGO 관측소(레이저 간섭계 중력파 관측소)를 가동했다. 이 새로운 기술은 기존 시스템보다 감도가 4배 더 높다. 그럼에도 불구하고 중력파를 탐지하려는 초기 시도들은 실패로 돌아갔다.

1993

미국의 천문학자 테일러와 헐스는 중력파를 간접적으로 입증한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.

2015

LIGO 탐지기가 중력파를 포착했다

2015년 9월 14일, LIGO 관측소의 연구원들은 측정 장비를 통해 우주에서 온 결정적인 신호를 포착했는데, 이 신호는 13억 년 전의 것이었다. 두 개의 블랙홀이 서로 합쳐진 것이다. 1초도 채 되지 않는 마지막 단계에서, 이 거대한 블랙홀은 LIGO 탐지기가 지구에서 감지할 수 있을 만큼 강력한 중력파를 방출했다. 과학자들은 데이터 분석에 착수했다.

2016

과학계의 센세이션

과학자들이 데이터 분석을 마쳤다. 이제 그들은 확신한다. 2015년 LIGO 탐지기로 포착한 신호가 99.99999% 확률로 중력파에서 비롯된 것이라는 사실을. 이는 과학계에 센세이션을 일으킨 사건이다.

2019

5억 2천만 광년 떨어진 곳에서 온 신호

중력파 탐지기 국제 네트워크가 중성자별 합체에서 발생한 두 번째 신호를 관측했다. LIGO 리빙스턴 탐지기와 비르고 탐지기는 2019년 4월 25일 GW190425로 명명된 이 신호를 “매우 중요한 사건”으로 확인했다. 이 신호는 약 5억 2천만 광년 떨어진 곳에서 왔으며, 이는 2017년 8월 중성자별 합체에서 발생한 첫 번째 중력파보다 4배 더 먼 거리다. 하노버에 위치한 알베르트 아인슈타인 연구소의 연구진은 이번 발견 과정에서 신호를 탐지하고 분석하는 데 필요한 방법을 개발하는 데 기여했다. 그들은 중성자별이 합쳐질 때 발생할 것으로 예상되는 중력파 모델을 구축했다.

2020

그 어느 때와도 다른 신호

중력파 연구자들의 기대가 현실이 되었습니다. 중력파를 발견하는 일은 이제 그들의 일상적인 업무가 되었습니다. 하지만 이번에 그들은 이전에 본 적 없는 신호를 발표했다: GW190412는 질량이 매우 다른 두 블랙홀이 서로 합쳐지는 모습을 최초로 보여준다. 우리 태양 질량의 약 8배에 해당하는 작은 블랙홀이 태양 질량의 약 30배에 달하는 거대한 블랙홀에 삼켜지는 것이다. 이 관측은 해당 시스템의 천체물리학적 특성을 더 정밀하게 측정할 수 있게 해줄 뿐만 아니라, LIGO-Virgo 과학자들이 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 지금까지 검증되지 않았던 예측을 확인하는 데에도 기여합니다.