중력파 - Gravitational wave

중력파 - Gravitational wave

중력파는 가속된 질량에 의해 생성되는 스페이스타임의 곡률의 교란으로 빛의 속도로 그들의 근원에서 바깥쪽으로 파동으로 전파된다. 그것들은 1905년 앙리 푸앵카레에 의해 제안되었고 이후 알버트 아인슈타인에 의해 그의 일반 상대성 이론에 기초하여 1916년에 예측되었다. 중력파는 전자기 방사선과 유사한 복사 에너지의 한 형태인 중력 방사선으로 에너지를 운반한다. 고전역학의 일부인 뉴턴의 만유인력의 법칙은 그 법칙이 물리적인 상호작용이 (무한한 속도로) 즉각적으로 전파된다는 가정 하에 전제되기 때문에, 고전물리학의 방법들이 상대성과 관련된 현상을 설명할 수 없는 방법 중 하나를 보여준다.

중력파 천문학은 중력파를 이용해 백색왜성, 중성자별, 블랙홀 등으로 구성된 이항성계 등 검출 가능한 중력파의 출처와 초신성 등의 사건에 대한 관측 데이터를 수집하는 관측천문학 계열이다. 1993년 러셀 A. Hulse와 Joseph Huton Taylor Jr.는 Hulse-Taylor 이진 펄서의 발견과 관찰로 노벨 물리학상을 수상했는데, 이것은 중력파의 존재에 대한 최초의 간접적인 증거를 제공했다.

2016년 2월 11일, LIGO와 Virgo Scientific Collaboration은 그들이 최초로 중력파를 직접 관측했다고 발표했다. 관측은 5개월 전인 2015년 9월 14일 첨단 LIGO 탐지기를 이용해 이뤄졌다. 중력파는 2진 블랙홀 시스템이 합쳐진 데서 비롯되었다. 초기 발표 후 LIGO 기기는 추가로 확인된 두 개의 중력파 이벤트와 하나의 잠재적 중력파 이벤트를 감지했다. 2017년 8월 LIGO 두 기기와 처녀자리 기기는 블랙홀 병합 시 발생하는 4중력파와 2진 중성자 별 합병 시 발생하는 5중력파를 관측했다. 2017년 노벨 물리학상은 레이너 와이스, 킵 쏘른, 배리 바리쉬가 중력파를 직접 검출하는 역할을 한 공로로 수상하기도 했다.

소개

아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 중력은 스페이스타임의 곡률에 기인하는 현상으로 취급된다. 이 곡선은 질량의 존재에 의해 발생한다. 일반적으로 주어진 공간의 체적 내에 더 많은 질량을 포함할수록, 공간 시간의 곡률은 체적의 경계에 더 클 것이다. 질량을 가진 물체가 스페이스타임에 이동함에 따라 곡면성은 그 물체의 변경된 위치를 반영하기 위해 변한다. 어떤 상황에서는 가속 물체가 이 곡률에 변화를 일으키는데, 이는 파도와 같은 방식으로 빛의 속도로 바깥쪽으로 전파된다. 이러한 전파 현상은 중력파로 알려져 있다.

중력파가 관찰자를 통과할 때, 그 관찰자는 스트레인의 영향으로 왜곡된 시간적 여유를 발견할 것이다. 물체 사이의 거리는 파동이 통과할 때 파동과 동일한 주파수로 리드미컬하게 증가하거나 감소한다. 이 효과의 크기는 근원에서의 역 거리에 비례하여 감소한다. 흡인하는 이진 중성자 별은 서로 가까이 궤도를 돌 때 질량이 매우 큰 가속도 때문에 그것들이 합쳐질 때 중력파의 강력한 원천이 될 것으로 예측된다. 그러나 이러한 근원에 대한 천문학적인 거리 때문에 지구상에서 측정했을 때의 영향은 매우 작을 것으로 예측되며, 10^20의 1부분 미만의 변종을 가지고 있다. 과학자들은 더욱 민감한 검출기로 이러한 파동의 존재를 입증했다. 가장 민감한 검출기는 LIGO 및 VIRGO 관측소에서 제공하는 5×10^22(2012년 기준)에서 약 한 부분의 민감도 측정을 가지고 작업을 완료했다. 우주 기반 관측소인 레이저 간섭계 우주 안테나는 현재 ESA에 의해 개발 중에 있다.

중력파는 전자파가 할 수 없는 우주의 영역을 관통할 수 있다. 그들은 먼 우주에서 블랙홀과 아마도 다른 이국적인 물체들의 합병을 관찰할 수 있다. 그러한 시스템은 광학 망원경이나 전파 망원경 같은 더 전통적인 수단으로는 관측할 수 없기 때문에 중력파 천문학은 우주의 작용에 대한 새로운 통찰력을 준다. 특히, 중력파는 초기의 우주를 관찰할 수 있는 가능한 방법을 제공하기 때문에 우주론자들에게 흥미가 될 수 있다. 이것은 기존의 천문학에서는 가능하지 않다. 왜냐하면 재결합 전에는 우주가 전자기 방사선에 불투명했기 때문이다. 중력파의 정확한 측정은 또한 과학자들이 일반 상대성 이론을 더 철저하게 시험할 수 있게 할 것이다.

원칙적으로 중력파는 어떤 주파수에서도 존재할 수 있다. 단, 매우 낮은 주파수 파형은 검출이 불가능하며, 매우 높은 주파수의 검출 가능한 파형에 대한 신뢰할 만한 출처도 없다. 스티븐 호킹과 베르너 이스라엘은 그럴듯하게 검출될 수 있는 중력파의 주파수 대역을 각각 10^-7Hz에서 최대 10^11Hz로 나열한다.