중력파

중력파는 질량을 가진 물체가 가속운동을 할때 생기는 중력의 변화가 시공간을 전파해 가는 시공간의 잔물결(spacetime ripple)을 말한다. 아인슈타인이 1916년 자신의 일반상대성이론으로 부터 파동방정식을 유도하여 중력파의 존재를 예측하였다. 그러나 미약한 중력파를 검출하는 것은 매우 어려웠기에 거의 100년이 지난 2015년 9월 14일에서야 레이저를 이용한 중력파 검출기인 라이고(LIGO, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)에서 최초로 블랙홀 쌍성의 병합과정에서 발생한 중력파의 신호를 검출하는데 성공하였다. 이 일로 중력파는 인류가 전자기파로 탐지하기 힘든 우주를 보는 새로운 수단이 되었으며, 중력파 천문학(Gravitational Wave Astronomy)이 시작되었다. 라이고의 개발과 관측을 이끈 세사람인 바이스(Rainer Weiss), 손(Kip S. Thorne), 배리시(Barry C. Barish)는 이런 공로를 인정받아 2017년 노벨물리학상을 수상하였다. 라이고는 2017년 8월 17일 중성자별의 충돌로 발생한 중력파를 탐지하였다. 이 관측은 최초로 전자기파의 후속관측이 이루어진 '다중신호천문학(multi-messenger astronomy)'이 시작된 사건이었다. 아래는 중력파의 개념이 설명되었다. 중력파 검출과 중력파 천문학은 별도로 기술되었다.

목차

거의 평평한 시공간에 아주 작은 중력 섭동(perturbation)이 있을 경우 아인슈타인의 장방정식(Einstein's field equation)은 파동방정식(Klein-Gordon wave equation)으로 기술된다. 이는 평평한 시공간에 어떤 물질이 변화시키는 중력의 변화가 파동의 전파 형태로 기술됨을 의미한다. 마치 잔잔한 호수에 돌을 던지면 그 물결이 퍼져나가는 방식과 마찬가지로 중력의 변화도 이와같이 전파된다는 것을 의미한다. 이 파동방정식의 가장 단순한 해는 평면파(plane wave)이며 시공간에서의 중력의 변화가 파동의 형태로 전파되는 것을 의미한다(그림 1, 2).

그림 1. 공간 상에 자유롭게 있는 질량들이 '+' 편광 중력파가 지나감에 따라 움직이는 모습. (출처: )

이 방정식의 해는 여러가지 중력파의 물리적 성질을 시사하는데 1) 중력파가 빛속도로 전파된다는 것 2) 사중 편광이라는 두 개의 편광모드가 있다는 것을 말해준다(그림 1, 2). 또한 중력파의 발생은 물질의 사중극자모멘트(quadrupole moment)의 변화로부터 생성되는 것으로 근사할 수 있음도 알 수 있다. 이처럼 중력파의 세기는 운동하는 물체의 질량에 비례하고 거리에 반비례 한다. 그러나 기본적으로 그 세기가 미약하여 강한 중력을 가진 천체의 운동에서나 관측이 가능할 것으로 여겨졌다.

그림 2. 공간 상에 자유롭게 있는 질량들이 'X' 편광 중력파가 지나감에 따라 움직이는 모습. (출처: )

중력파는 일반적으로 질량을 가진 물체가 가속운동을 할때 발생된다. 그러나 우리 주변의 물체가 만들어내는 중력파의 세기(두 점 사이 거리 변화율)는 거의 0에 가깝다. 실제로 약 5천 5백만 광년 정도 떨어진 처녀자리 성단 근처에서 공전하고 있는 태양질량 1.4배의 중성자별 두개가 약 1km정도 떨어져서 나선운동을하고 있을때 발생시키는 중력파의 세기를 지구에서 측정하면 약 10^-21 정도이다. 따라서 중력파를 실제적으로 검출하기 위해서는 이 정도 감도의 정밀한 검출기와 함께 격변하는 운동을 하는 천문현상을 통해 가능할 것으로 믿어져왔다.

천체에서 검출이 가능할 것으로 여겨지는 중력파를 발생하는 파원(source)은 다음과 같이 분류할 수 있다.

1) 밀집쌍성계(Compact Binary System): 백색왜성, 중성자별, 블랙홀의 쌍성계는 중력파를 발생하는 천체이다. 나선운동-병합-안정화(inspiral-merge-ringdown)의 세단계의 운동으로 기술되며 병합과정에서 가장 강력한 중력파를 발생시킨다. 밀집쌍성계에서 방출되는 중력파는 매우 잘 알려진 파형(waveform)으로 기술된다.

2) 폭발체(Burst): 감마선폭발체, 초신성과 같은 일시적인 급격한 폭발로 비정형의 파형을 방출한다.

3) 연속중력파원(Continuous Gravitational-Wave Source): 빠르게 회전하는 중성자별은 연속적인 중력파원을 발생시킨다.

4) 스토캐스틱 중력파 배경(SGWB, Stochastic Gravitational-Wave Background) :

* 우주론적 SGWB: 빅뱅 직후 급팽창(inflation)으로 생긴 시공간의 진동이 우주 전 영역에 퍼져 있는 중력파 배경 복사. 원시 중력파 배경이라고도 불린다.

* 천체물리학적 SGWB: 천체물리학적 요인, 즉, 밀집쌍성계 등의 여러 중력파의 중첩으로 개별 파원 소스가 판별이 불가능한 상태로 발견되는 중력파원. 원거리에서 발생한 블랙홀 쌍성, 중성자별 쌍성 등의 신호가 섞여 배경잔물결(background ripples) 형태로 존재한다.

중력파를 발생하시키는 파원의 질량 등의 물리적 성질에 따라 발생되는 파동의 주파수 대역이 다양하다. 해당 파원들과 발생하는 중력파의 주파수 대역은 아래와 같다.