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질량 가진 물체, 움직이면 파동 생긴다

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질량 가진 물체, 움직이면 파동 생긴다

2006.09.13 09:31
워낙 미약한 중력파 질량을 가진 물체는 공간에 중력장을 형성한다. 그 물체가 진동하거나 움직이면 그 중력장도 진동해서 공간으로 퍼지게 되는데, 이것이 바로 중력파이다. 중력파는 마치 전하가 운동하면 전자기파를 내는 것과 비슷하다. 이러한 중력파의 존재 역시 아인슈타인의 중력장 방정식의 한 해로 탄생했다. 이 역시 전자기파가 맥스웰 방정식의 한 해로 주어지는 것과 비슷하다. 하지만 중력파는 전자기파와 달리 워낙 세기가 약해서 검출하기가 매우 어렵다. 실제 중력파의 세기는 전자기파의 10의 수십제곱분의 1정도로 약하다. 미국의 테일러와 헐스는 1974년 보이지 않는 동반성과 쌍성을 이루고 있는 펄사(pulsar, 강한전파를 내는 중성자별)를 관측했다. 이 두별은 불과 해의 반지름 거리 정도밖에 떨어져 있지 않아서 초속 약3백km의 엄청난 속도로 약 8시간마다 서로 공전하고 있다. 이 쌍성이 방출하는 중력파는 에너지를 빼앗아 달아나기 때문에 두 별이 점점 접급하여 공전주기가 빨라진다. 테일러와 헐스는 공전주기가 매년 약 1만분의 1초씩 짧아진다는 사실을 발견했는데 이는 상대성이론으로 계산한 이론치와 완전히 일치했다. 테일러와 헐스는 이 발견의 공로로 1993년 노벨 물리학상을 수상했다. 중력파 검출장치 중력파 검출장치는 대체로 두가지 형태로 분류된다. 첫번째는 역학적 검출 장치로 중력파에 의한 물체의 변형을 직접 측정하는 방법이다. 1957년 웨버에 의해 만들어진 중력파 검출기의 원형은 2m의 알루미늄 원통을 진공에 설치하고 이것의 진동을 측정하는 것이었다. 1969년 웨버는 이런 형태의 검출기로 중력파를 측정했다고 보고했지만 뒤이은 확인 작업 결과 중력파에 의한 진동이 아님이 밝혀졌다. 이후 이런 역학적 검출 장치의 변종들이 많이 등장했으나 중력파를 검출해내진 못했다. 중력파를 검출하는 또 다른 방법은 광학적 간섭에 의한 측정장치다. 이는 마이켈슨-몰리의 실험장치와 비슷한데, 중심의 엇뉘어진 거울을 향해 레이저 광선을 발사하면 이 반투명의 거울에 의해 레이저 광은 각각 90도로 나뉘어지고 다시 거울에 반사돼 되돌아와 합쳐진다. 여기에 중력파가 지나가면 레이저 광의 위상을 변화시켜 간섭 무늬를 만든다. 레이저 광의 진행 경로가 길면 길수록 측정의 감도는 높아진다. 대표적으로 독일 뮌헨에 있는 막스플랑크 연구소의 간섭계는 길이가 30m이다. 중력파의 검출에 대한 관심이 높아지고 또한 그 검출이 매우 어렵다는 것이 인식되자 1980년대 말에 미국에서 수km의 광로를 가진 레이져 간섭계의 건설을 추진했다. 미국국립과학재단(NSF)의 후원 아래 MIT와 칼텍이 공동 추진하는 이 프로젝트의 이름은 LIGO(Laser Interferometer Gravitation-wave Observation)로 2억 달러 이상의 예산이 투입됐다. 이 LIGO 계획이 완성되면 중력파의 검출이 좀 더 용이해질 것으로 예상된다. 여기에 자극을 받아 프랑스와 이탈리아의 연구팀들은 길이 3km의 마이켈슨 간섭계(VIRGO)를 건설하기 위한 계획을 추진 중이다.

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