우주 공간의 보이지 않는 파동인 중력파(gravitational waves)가 그동안 볼 수 없었던 블랙홀과 우주 물질의 시각 관측을 돕는다.

과학자들이 중력파를 통해 블랙홀, 암흑 물질 및 ‘엑시온(axions)’라고 불리는 이론적 아원자 입자와 같이 보이지 않는 것으로 생각했던 우주의 일부를 볼 수있는 새로운 시대를 열고 있다.

중력파는 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 일반상대성이론의 일부로 그 존재를 예측한 지 약 100년만인 지난 2015년, 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에서 최초로 발견, 노벨 물리학상을 받았다.

거대한 관측 기구가 포착한 희미한 교란은 지구로부터 13억 광년 떨어진 두 개의 블랙홀에 의해 만들어졌다. 이 두 개의 초중량 블랙홀이 충돌하면서 공간과 시간이 변형됐다.

EU 호라이즌메거진은 10일 이벤트 호라이즌 망원경(EHT) 연구진의 발표를 앞두고 관련 내용을 소개했다.

파올로 파니(Paolo Pani) 로마 사피엔자대학 이론물리 교수는 “(블랙홀 주변에서)파동은 호수의 잔물결처럼 퍼져 나간다. 이것들이 중력파”라고 말했다.

질량이 있는 모든 물체는 시공간 연속체에 작은 굴곡을 만든다. 우리는 이를 중력이라고 부른다. 블랙홀과 중성자별과 같이 초대질량 물질의 변화는 지구에서 감지할만큼 중력파를 생성 할 수 있다. 중력파는 빛의 속도로 우주를 가로 지르며 거의 모든 것을 통과한다.

중력파는 우주를 보는 새로운 방법을 천문학자들에게 제공한다. 파니 교수는 ‘DarkGRA’ 프로젝트에서 중력파를 통해 무거운 별, 암흑물질 및 블랙홀 자체를 관측, 우주의 신비를 탐색하고 있다.

그동안 천체 물리학자들은 그들 주변의 물질의 행동을 관찰함으로써 블랙홀의 존재를 추론해야만 했다. 붕괴된 별들의 초 중량물질인 블랙홀 중력은 너무 커서 빛을 포함해 이벤트 지평선(event horizon)이라고 하는 경계를 지나는 모든 것은 빠져 나가지 못한다. 이것이 우리가 블랙홀을 볼 수없는 이유다.

블랙홀을 둘러싼 시공간의 메신저로 작용하는 중력파는 빛이 없이도 과학자들이 블랙홀을 직접 볼 수 있게 해준다.

이 파동의 특징을 연구함으로써 이전에는 보이지 않는 물체의 질량, 회전, 반지름 및 속도에 대한 정보를 얻을 수 있다.

파니 교수는 “우리 프로젝트의 목표는 초 고밀도 물체에서 중력파의 관측을 이해하는 것이므로 다른 유형의 물체를 배제하거나 확인할 수 있다”고 말한다.

일반상대성이론에 따르면, 백색 왜성, 중성자 별 또는 블랙홀 등 초고밀도의 두 개체가 합쳐지면서 붕괴돼 블랙홀을 형성하게 된다. 블랙홀과 비슷한 질량과 반경의 물체를 형성 할 수 있다고 예측하는 대안 이론이 있지만 이벤트 지평선은 없다.

파니 교수는 “물체가 합쳐진 표면이 있다면, 중력파 반향이 있어야하므로 표면에서 반사되는 신호가 있어야한다”고 설명했다.

암흑 물질

블랙홀이 예기치 않게 반향 또는 설명 할 수없는 중력파의 특징을 만들어내는 또 다른 설명이 있다. 우주의 모든 물질의 85%를 차지하는 암흑 물질과 중력파의 관계다.

연구진에 따르면 암흑 물질은 다른 물질과 거의 상호 작용하지 않으므로 실험실에서 테스트하기가 매우 어렵다. 그러나 중력파에서 뚜렷한 신호를 찾아내면 과학자들은 처음으로 그것을 볼 수 있게 된다.

일부 중력 관측 데이터는 우리가 볼 수없는 암흑물질의 존재 또는 중력의 법칙을 변경함으로써만 설명될 수 있다. 영국 케임브리지대학 이론물리학자로 ‘StronGrHEP’ 프로젝트 수석 과학자 울리히 스퍼하케(Ulrich Sperhake) 교수는 중력파가 우주의 신비를 푸는 데 도움이 될 수 있다고 설명한다.

두 개의 블랙홀이 충돌할 때 주변 암흑물질의 에너지가 흡수된다. LIGO에 의해 감지된 것과 같은 블랙홀 충돌에서 중력파는 암흑물질이 없는 경우와 약간 다르게 보일 것이다.

하나의 관측 퍼즐은 은하가 그들의 크기보다 빨리 회전하기 때문이다. 스퍼레이크 교수는 “회전 속도는 내부에 있는 질량과 관련이 있다“며 ”만약 우리가 볼 수 있는 질량보다 더 빨리 은하가 회전한다면, 우리는 중력이 작용하는 기본 이론을 바꾸거나 우리가 볼 수 없는 은하계에 암흑 물질이 있어야 한다“고 말했다.

스퍼하케 교수의 생각은 아인슈타인의 일반상대성이론을 스칼라텐서 중력(scalar tensor gravity)이라고 불리는 새로운 이론으로 확장하는 것이다. 이것은 우주가 자기장이나 전기장과 같이 아직 탐지되지 않은 여분의 장으로 가득 차 있다는 것을 암시한다.

이는 사멸하는 별의 초신성 폭발이 중력파의 파열처럼 보일뿐만 아니라 우리가 발견 할 수 있는 중력파의 잔광이 있음을 의미한다. 별의 폭발, 즉 초신성으로 LIGO를 정향해 실제 폭발 후 수세기 동안 지속될 수 있는 스칼라 장으로부터의 잔광을 감지 할 수 있다.

이와는 별도로 스퍼하케 교수는 암흑 물질이 엑시온(axions)라고하는 이론상의 아원자 입자로 설명 될 수 있는지 조사하고 있다. 그는 입자가 존재할 때 블랙홀로부터 중력파 파동이 어떻게 생겼는지 모델링하려한다.

그는 “엑시온이 암흑 물질의 가장 좋은 후보자 중 하나라고 말하고 싶다. 다음 단계는 이론과 관찰이 일치하는지 확인하기 위해 LIGO가 수집 한 데이터에 모델을 적용하는 것“이라고 말했다.

리차드 브리토(Richard Brito) 박사는 올해 초 자신의 프로젝트 ‘FunGraW’의 일부로 이탈리아에서 파니 교수 그룹에 합류, 중력파를 사용한 엑시온 입자의 존재를 시험했다.

아인슈타인의 이론에 대해 그는 “블랙홀 처럼 초고밀도의 이벤트 지평선이 없는 대상을 보면 표면적으로 일반상대성이론이 잘못되었다는 것을 의미한다”고 말했다.

이에 대해 스퍼하케 교수는 “아인슈타인 이론의 수학적 명확성에 필적하기는 힘들 것”이라고 말했다. 일반상대성이론은 예언이라기보다 아름다운 이론으로 호소력을 가지며, 물리학자들은 아름다움을 이론의 중요한 요소로 간주한다는 설명이다.