1. 연구동기
청소년을 위해 만든 과학 잡지를 읽다가 ‘ 중력파 검출 실패 ’라는 문구를 본 적이 있다. 그때 처음으로 중력파라는 걸 알게 되었고 중력파가 아이슈타인의 상대성이 론과 관련이 있다는 것을 알 수 있었는데 내가 그 당시 잡지를 읽었을 때에는 그 잡지에 적혀있는 중력파와 관련된 내용을 이해하기 힘들었다. 하지만 최근에 인터 넷을 보다가 중력파가 검출되었다는 기사를 보고 내가 이전에 읽었던 내용이 떠올 라 이에 대해서 호기심이 생겼고 학교 물리시간에 선생님께서 아이슈타인의 상대 성 이론에 대해 설명해 주셔서 중력파가 무엇인지 이해할 수 있게 되었다. 그래서 중력파가 실제로 존재할 수 있는 지에 대해 의문을 갖게 되어 이번 연구를 시작하 게 되었다.
2. 연구내용
가. 중력파란 무엇인가
1) 중력파란, 중력이 발생시키는 파동으로서, 질량이 있는 물체가 가속운동을 할 때 발생하는 시공간의 일렁임을 뜻한다.
2) 1916년 아인슈타인은 일반상대성이론을 통해 질량을 가진 물질이 가속운동 을 하게 되면 그 변화가 시공간의 일렁임으로 나타나고 결국 시공간을 변화 시킨 에너지가 파동처럼 전파된다는 것을 예측하여 중력파가 등장하게 되었다.
3) 중력파와 다른 파장과의 공통점과 차이점
① 중력파와 물질파와의 공통점과 차이점
- 중력파는 물질파와 많은 유사점이 존재하여 검출하는데 어려움이 있다. 모든 질량이 있는 물질은 파동을 갖는데, 이것은 중력파의 성질과 똑같기 때문에 구 분하기 어렵다. 하지만 물질파와 중력파와의 가장 큰 차이점은 입자들이 물질파 가 아닌 이상 물질들은 자체적으로 진공에서 물질파를 발생시키기 어렵다는 점 이다.
② 중력파와 전자기파와의 공통점과 차이점
- 중력파와 전자기파는 둘 다 진공에서 전달이 가능하며 전달 속도가 빛의 속도 에 이른다. 하지만 전자기파와 달리 중력파는 진공이라도 공간을 뒤틀리게 할 수 있다 . 또한 전자기파는 이론적으로 진공에서 에너지를 잃지 않아 거리와 파 장의 크기의 변화가 없지만 중력파는 거리가 멀어질 수 록 파원으로부터 에너지 가 약해지므로 파장이 길어진다.
나. 중력파 검출 방법
1) 레이저 간섭계를 이용한 중력파 검출 방법
중력파 검출장치 중 레이저 간섭계는 레이저의 미묘한 간섭현상을 포착하여 중력 파를 측정한다. 이때 레이저는 극저온의 진공상태에서 방출되는데 우주와 같은 환경을 의미한다. 현재 중력파검출 장치 (레이저 간섭계)는 중력파 탐지를 위해 미국 루이지애나와 워싱턴주에 있는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO,라이고) 와 이탈리아 피사의 VIRGO(바르고)에 위치한다. 이들은 3,000Km와 1만Km 가깝 게 떨어져 있는 관측 장치인데, 전자기파나 물질파에 비해 중력파는 워낙 광범위 한 파동이므로 커다란 중력파가 지구에 도달하면 공간 전체가 출렁거려 이 장치들 에게 동일한 간섭현상이 나타나게 된다.
레이저 간섭계의 기본적인 원리는 마이켈슨 간섭계를 이용한다.
- 마이켈슨 간섭계
1. 한쪽에서 빛을 나눠주는 Beam Splitter로 레이저를 쏜다.
2. 둘로 나뉜 각각의 빛은 정해진 경로('팔' 이라고 부른다)를 진행한 후 끝단 의 거울에 반사된다.
3. 반사된 빛은 다시 Beam Splitter에서 합쳐지며 이를 관측한다.
이를 통해 두 빛이 서로 다른 경로를 진행했다면 다시 합쳐진 후에 간섭무늬가 나 타나게 되며 중력파는 빛이 진행하는 경로의 변화를 주기 때문에 한쪽 '팔' 을 우 리가 목표로 잡은 블랙홀 쌍을 마주보게 잡으면 다른 한쪽 '팔' 은 정확히 수직을 이루게 된다. 이때 각 팔을 지난 두 빛의 경로에서 차이가 발생하게 되면 중력파 가 검출 된 것이다.
다. 중력파 존재 가능성
1) 중력파 탐지
2015년 9월 14일 지구에서 약 13억 광년 정도 떨어진 태양 질량의 약 36배와 29배의 질량을 지닌 두 개의 블랙홀이 충돌하기 직전 0.15초간 발생한 중력파 신호를 검출 한 것( 중력파의 최대 진폭은 10의 21제곱분의 1수준으로서, 1광년 , 즉 빛이 1년 동안 가는 거리에서 머리카락 굵기 정도 변하는 수준 )을 바탕으로 12월 26일 레이저 간섭 중력파 관측
▲ LIGO의 중력파 첫 관측 소(LIGO)에서 얻은 데이터를 분석한 결과 지구에서 14억 광년 떨어진 곳의 블랙홀이 병합되기 직전 마지막 27회의 공전 과정에서 나온 중력파를 발견하였다.
라. 중력파 직접 탐지 성공의 의의
1) 100년 만에 처음으로 아인슈타인의 일반 상대성이론을 검증
2) 중력파 관측 망원경 제작가능성
- 중력파 관측 망원경에 의한 중력파 천문학의 시대가 열릴 것으로 예상하고 있 다.
3) 궁극적 물리학 이론의 완성에 돌파구 마련
- 중력파 검출을 계기로 중력의 실체를 밝히는 연구에도 실마리를 제공하여 통 일장 이론 또는 만물의 이론 등 궁극적 물리학 이론의 완성에 돌파구가 될 것 으로 예상하고 있다.
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