아인슈타인의 100년 전 예측을 증명하다: 중력파 관측소 LIGO의 원리와 우주 망원경 LISA

천재 물리학자 알베르트 아인슈타인은 1916년, 자신의 '일반 상대성 이론'을 바탕으로 우주에 관한 아주 놀라운 예측을 하나 내놓았습니다.

질량을 가진 거대한 물체가 격렬하게 움직일 때, 우주의 시공간 자체가 마치 잔잔한 호수에 돌을 던졌을 때 물결이 퍼져나가듯 출렁이며 퍼져나갈 것이라는 주장이었죠.

이 시공간의 일렁임이 바로 '중력파(Gravitational Wave)'입니다.

하지만 이 위대한 아이디어를 인류가 실제 기계 장치로 검출하여 증명해 내기까지는 무려 100년이라는 억겁의 시간이 필요했습니다.

오늘은 우주를 바라보는 인류의 새로운 눈, 중력파 검출기 LIGO(라이고)의 경이로운 과학적 원리와 미래 세대의 우주 관측 프로젝트에 대해 깊이 있게 알아보겠습니다.

출처 : Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab

1. 4.2광년 밖의 머리카락을 재는 기적의 잣대

블랙홀 두 개가 충돌하는 것과 같은 엄청난 우주적 이벤트가 발생하면 강력한 중력파가 뿜어져 나옵니다.

하지만 이 파동이 수십억 광년의 아득히 먼 우주를 가로질러 지구에 도달할 즈음에는 그 세기가 믿을 수 없을 만큼 미미해집니다.

지구에 도달한 중력파가 우리 공간을 늘리고 줄이는 변화량은 원자핵 크기의 수만 분의 1에 불과합니다.

이를 직관적으로 비유하자면, 지구에서 무려 4.2광년(약 40조 km)이나 떨어져 있는 가장 가까운 이웃 별인 프록시마 센타우리에 있는 '머리카락 한 가닥의 굵기'를 오차 없이 판별해 내는 수준의 극단적인 정밀함이 필요합니다.

대체 언제, 어디서 다가올지 모르는 이 미세한 시공간의 흔들림을 인류는 어떻게 잡아낸 것일까요?

2. 빛의 간섭을 이용한 마법의 L자 튜브, LIGO의 원리

그 해답은 바로 빛의 성질을 이용한 초대형 레이저 간섭계, LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)에 있습니다.

LIGO는 지표면 위에 한쪽 팔의 길이가 무려 4km에 달하는 거대한 L자 형태의 진공 튜브를 만들어 두었습니다.

원리는 이렇습니다. 중앙에서 발사된 하나의 레이저를 반으로 쪼개어 L자의 양쪽 튜브로 동시에 보냅니다.

끝에 있는 거울을 맞고 튕겨 돌아온 두 빛은 다시 중앙에서 만나게 되는데, 이때 빛의 파동이 서로 엇갈리게 만나 빛이 완전히 사라지도록(상쇄 간섭) 정밀하게 세팅해 둡니다. 우리가 시끄러운 곳에서 쓰는 '노이즈 캔슬링 이어폰'이 소리를 지우는 원리와 정확히 똑같습니다.

평소에는 상쇄 간섭 때문에 검출기에 아무런 빛도 들어오지 않고 새까만 상태를 유지합니다.

그런데 우주에서 날아온 중력파가 지구를 통과하면 아주 찰나의 순간 동안 지구의 시공간이 미세하게 찌그러집니다.

L자 튜브의 한쪽 길이는 늘어나고 다른 쪽 길이는 수축하게 되죠.

이때 양쪽을 왕복하는 빛의 거리가 미세하게 달라지면서 상쇄 간섭이 깨지게 되고, 지워졌던 빛이 번쩍하고 검출기에 흔적을 남기게 됩니다.

2015년, 인류는 이 원리를 통해 13억 년 전 두 블랙홀이 충돌하며 발생시킨 중력파를 최초로 잡아내는 기적을 이루어냈습니다.

 

(자료 참조: 스웨덴 왕립과학 아카데미)

3. 우주로 나아가는 지세대 관측소, LISA 프로젝트

LIGO의 성공으로 인류는 빛(전자기파)으로만 우주를 '보던' 시대에서, 중력파를 통해 우주의 흔들림을 '듣는' 새로운 시대를 열었습니다.

하지만 지구 지표면에 건설된 LIGO는 주변을 지나가는 트럭의 진동이나 미세한 지진 같은 지구 자체의 '노이즈'를 걸러내는 데 엄청난 한계가 있습니다.

이러한 지상 실험 장치의 한계를 완벽하게 극복하기 위해, 인류의 다음 계획은 아예 우주 공간으로 향하고 있습니다.

바로 LISA(Laser Interferometer Space Antenna) 프로젝트입니다.

지상의 4km 튜브 대신, 우주 공간에 3기의 위성을 띄워 무려 250만 km 거리를 둔 거대한 정삼각형 편대를 만듭니다.

지구의 진동이 없는 완벽한 진공의 우주 공간을 거대한 간섭계로 활용하여, 지상에서는 잡을 수 없었던 더 거대하고 깊은 우주의 비밀(초거대 질량 블랙홀의 탄생 등)을 풀어낼 예정입니다.

보이지 않는 시공간의 일렁임을 포착해 낸 인간의 집념과 과학 기술이 참으로 경이롭지 않나요?

아인슈타인의 머릿속에서 시작된 상상력이 100년의 시간을 넘어 거대한 금속 튜브와 우주 위성으로 증명되는 것을 보면, 인류의 지적 호기심과 도전은 앞으로도 우주의 더 깊은 비밀을 끊임없이 밝혀낼 것입니다.

Copyright: EADS Astrium

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[자주 묻는 질문(FAQ) - 더 알아보기]

Q1. 중력파가 지나갈 때 우리 몸도 같이 늘어났다 줄어드나요?

네, 맞습니다. 중력파는 텅 빈 우주 공간뿐만 아니라 지구와 건물, 그리고 우리 몸의 시공간까지 모두 통과하며 왜곡시킵니다. 따라서 중력파가 지나가는 아주 짧은 순간 동안 우리 몸도 미세하게 늘어났다 줄어듭니다.

하지만 그 변화량이 양성자 크기의 수천 분의 1보다도 작기 때문에 인간의 감각 기관으로는 절대 알아차릴 수 없습니다.

 

Q2. 왜 기존의 전파 망원경이나 광학 망원경으로는 블랙홀 충돌을 볼 수 없었나요?

블랙홀은 이름 그대로 빛조차 빠져나갈 수 없을 정도로 중력이 강해 어떤 빛이나 전파도 뿜어내지 않기 때문입니다.

기존의 망원경은 빛을 감지하는 방식이라 블랙홀이 충돌해도 캄캄해서 아무것도 볼 수 없었습니다.

하지만 중력파는 빛이 아니라 '공간 자체의 출렁임'이기 때문에 블랙홀의 움직임을 완벽하게 관측할 수 있는 유일한 수단입니다.

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