17일(현지시간) 하버드-스미스소니언 천체물리연구센터가 탐지하는 데 성공했다고 발표한 ‘중력파’(gravitational wave)의 이론적 근거는 1916년 알베르트 아인슈타인(1879∼1955)의 일반상대성이론으로 거슬러 올라간다.

아인슈타인은 중력의 정체를 ‘시간과 공간이 일체가 되어 이루는 물리적 실체인 시공간(spacetime)의 뒤틀림’으로 파악하는 관점에서 일반상대성이론을 만들었다.

이에 따르면 질량을 가진 물체가 주변 공간에 형성하는 ‘중력장’은 이 물체 주변의 시공간에 변형이 가해지는 것으로 이해된다.

따라서 질량을 가진 물체가 움직이거나 새로 생겨나거나 파괴되면 이에 따른 파동이 시공간의 일그러짐이라는 형태로 표현되고, 이 물체의 질량이 매우 크다면 이를 관측하는 것도 가능해야 한다.

이런 중력장의 파동을 가리키는 말이 ‘중력파’다.

마치 전자가 진동하면 그에 따라 전자기파가 생기는 것과 마찬가지로, 중력장의 요동이 중력파를 만들어 내는 것이다. 중력파는 빛의 속도로 전파된다.

마치 전자기파가 지나가는 공간에 전기장과 자기장의 변화가 생기듯이, 중력파가 지나가는 공간에는 시공간(spacetime)의 변화가 생긴다.

중력파의 존재는 아인슈타인의 일반상대성이론에 따라 예측되는 것이어서 이론적으로는 잘 알려져 있으나 직접 실험을 통한 검출은 성공한 적이 없었다.

예를 들어서 초신성 폭발이나 매우 질량이 큰 쌍둥이 별의 움직임 등으로 큰 규모의 중력파가 발생하면 시공간의 조직에 변화가 생기고, 이에 따라 두 점 사이의 거리가 미세하게 변할 수 있다.

이런 방식으로 중력파의 ‘직접 검출’ 실험을 하려면 정지해 있는 두 점 사이의 거리를 매우 정밀하게 측정할 수 있는 장비가 필요하며, 과학자들은 이런 장비의 개발 작업에 노력하고 있다. 다만 아직 이런 방식의 중력파 직접 검출이 성공한 사례는 없다.

질량이 매우 큰 중성자별 2개가 서로의 주위를 돌고 있는 경우 등에 대해 간접적인 중력파 확인이 이뤄지기는 했으나, 시공간의 뒤틀림을 직접 측정한 것은 아니었다.

하버드-스미스소니언 천체물리센터는 이번 연구에 대해 “중력파, 즉 시공간의 물결의 모습을 잡은 첫 사례”라고 소개하고 있다.

연구자들은 우주 전체에 가득한 ‘우주 마이크로웨이브 배경 복사’(cosmic microwave background radiation)의 편광 분석을 통해 중력파의 패턴을 파악했다.

태초의 우주 형성 과정에서 있었던 ‘인플레이션(급팽창) 시기’에 중력파가 특징적인 흔적을 남겼으며, 그 흔적이 우주 마이크로웨이브 배경 복사에 남아 있다는 것이 연구자들의 설명이다.

다만 이번 실험은 시공간의 뒤틀림을 직접 측정하는 방식은 아니다.

연합뉴스