[블랙홀과 시간여행] 9.뜻밖의 발견 - 10.곡률의 잔물결 2022.03.16 걷는이 우주전파는 칼 잰스키에 의해서 우연히 발견되었으나 당시의 천문학자들은 전혀 관심을 기울이지 않았다. 제2차 세계대전이 끝나고 전쟁을 위해서 기술적인 작업을 해왔던 과학자들은 새로운 도전 거리를 찾고 있었다. 실험물리학자들은 고해상도의 전파 간섭계를 만들려고 경쟁했다. 섬세해진 간섭계를 이용하여 그려진 전파 방출 지도에는 등고선과 같은 것이 보이는데 이것은 전파가 충돌하는 은하 양쪽에 있는 가스의 거대한 전파엽에서 온다는 것을 확증한다. 칼텍의 새로운 간섭계의 작업에서 발견된 기묘한 스펙트럼의 파장은 별이나 지구에서 만들 수 있는 고온의 가스 스펙트럼과는 전혀 달랐다. 별처럼 보이는 이 이상한 물체는 퀘이사라는 이름이 붙었다. 퀘이사들은 우리의 우주 안에서 매우 멀리 떨어져 있으며, 우주 팽창의 결과로 빠르게 지구로부터 멀어진다는 것이 밝혀졌다. 천문학자들은 퀘이사와 전파은하의 에너지원을 검사했다. 화학적인 힘이나 핵력, 물질과 반물질의 소멸은 퀘이사의 동력이 되기에는 한계가 있어 보였다. 다른 가능성은 바로 중력이었다. 블랙홀을 만드는 별의 내폭파가 퀘이사의 에너지원이라는 생각은 무척 급진적인 생각이었다. 이는 천문학자들과 천체물리학자들이 그들이 관측한 것을 설명하기 위해 일반상대론을 이용할 필요를 느낀 첫 번째 사건이었다. 퀘이사의 중심 블랙홀은 고도로 높은 비율의 유입가스로 채워져 있고, 원반에서 발생하는 마찰열이 무척 크다. 이 열은 원반을 아주 밝게 빛내 그 물체는 준항성처럼 보인다. 반면 전파은하의 중심 유입원반은 고요하다. 이는 원반의 작은 마찰, 작은 열과 광도를 의미하므로 원반은 은하의 다른 부분보다 덜 빛난다. 전파은하와 퀘이사는 빠르게 회전하는 자기를 띤 엄청난 질량을 가진 별로 설명이 가능하다. 과학이론은 이런 별이 은하 중심에 존재할 수도 있다는 것을 암시했다. 그런 초대질량별은 아주 작은 크기로 수축 되어 거대한 중력 에너지를 만들어 낼 수 있다. 우리 은하에 블랙홀이 있다는 증거는 은하 중심 근처에 있는 가스 구름의 궤도운동에 있다. 2개의 별이 가까이 지나갈 때 중력이 서로의 주변을 흔들고 궤도를 다른 방향으로 밀어버린다. 점점 더 많은 가스와 별이 은하의 핵에 모여들고 이들이 만든 덩어리의 중력은 더 강해져 내부 압력을 압도한다. 덩어리 안에 있던 무거운 별들은 내폭파하여 작은 블랙홀을 만들고 이것들이 서로 충돌해 점점 더 큰 블랙홀을 만든다. 이런 내폭파, 충돌, 병합의 과정은 핵을 지배하는 단일한 거대 블랙홀을 만들 때까지 계속된다. 대략적으로 년 후에 은하 중심에 있는 블랙홀이 은하질량의 대부분을 삼켜버리고, 지구와 태양의 궤도는 심각하게 변할 것이다. 그러나 이런 세세한 부분은 예측 불가능하다. 이 거대블랙홀이 지구를 삼켜버리지 않을지 걱정할 필요는 없어 보인다. 그전에 다른 많은 엄청난 사건들이 지구와 인류를 덮칠 것이 거의 확실하다. ㅠㅠ
2개의 블랙홀로 구성된 쌍성계의 끼워넣기 도식의 중심에 있는 깊은 골은 시공간 곡률을 나타낸다. 주위를 돌고 있는 골은 곡률의 잔물결을 만든다. 이 잔물결은 빛 속도로 퍼져나가면서 쌍성계 주변 시공간 구조 안에 소용돌이를 만든다. 시공간 곡률은 중력과 동일하기 때문에 곡률의 잔물결은 중력파이다. 중력파는 블랙홀들을 서로에 대해 나선운동을 하도록 만들고, 이 나선은 점차 중력에너지를 내놓는다. 잔물결이 더 강해지며 나선운동 속도가 커지고 각각의 블랙홀의 지평면이 서로 맞닿아 합쳐질 것이다. 최종적으로 만들어진 부드러운 원형의 블랙홀은 그것의 역사를 알 수 없다. 그러나 그 기록은 병합할 때 블랙홀들이 내뿜는 시공간 곡률의 잔물결 안에 암호화되어 있다. 중력파의 조석력은 광파 혹은 전파와 같다. 병합하는 블랙홀들이 멀리 떨어져 있기 때문에 중력파는 약하다. 조셉 웨버는 원통형 막대의 진동을 측정하기 위한 센서를 발명했다. 브라긴스키는 이 막대들이 결정적인 한계를 갖고 있다고 말했는데 이는 양자역학 법칙에서 나온 것이다. 막대검출기의 감도는 불확정성의 원리에 의해서 심각한 한계를 가진다. 즉, 센서들이 진동하는 막대의 양 끝 지점을 더 정밀하게 측정할수록 막대에 대한 측정의 건드림이 더 강해진다. 막대 검출기는 중력파의 조석력을 측정하기 위해 단일하고 고체인 원통의 진동을 이용하고, 간섭 검출기는 줄에 매달려있는 3개의 물체들의 상대 운동을 이용한다. 막대는 좁은 진동 대역폭을 가진 중력파에만 공명하지만 간섭계는 넓은 대역폭을 갖는다. 간섭계는 막대보다 길기 때문에 측정 과정에서 발생하는 건드림에 더 큰 면역력을 갖는다. 테일러와 헐스는 전파망원경을 이용해 2개의 중성자별을 발견했다. 그중 하나는 펄서이며, 이들은 각각에 대해 궤도이동을 한다. 또한 서로 나선운동을 하는데 이런 운동은 별들이 내뿜는 중력파들이 그 별들을 밀쳐냈기 때문이다. 중력파가 가진 2개의 편광들 때문에 파형은 2개다. 파형은 2개의 블랙홀이 병합하고 있다는 분명한 징표를 보여준다. 2개의 블랙홀은 병합돼 중력파를 내뿜는 몇 시간 동안 서로에 대해 공전하며 각자의 궤도에 있었다. 각자의 궤도에 있었다는 것은 그 블랙홀들이 밀집된 덩어리 안에 있었다는 것을 의미한다. 우리가 지금 보는 빛들이 100만 년 동안 격렬한 진화 과정을 거친 은하에서 온 것이라면 그런 진화는 거대 블랙홀과 퀘이사의 탄생에서 촉발된 것이다. 중력파 덕분에 어떻게 거대 블랙홀이 만들어졌는지에 대한 세부적인 사항들을 풀어낼 수 있게 되었다. |
