스킵네비게이션

○강 연 일 : 2018년 5월 25일(금)

○강 연 자 :  이 창 환교수(부산대학교, 천체물리연구실)

그림 1. 최초로 검출된 중력파 GW150914의 주파수 변화 (x축: 시간, y축: 주파수). 이 변화를 분석하여 두 블랙홀이 병합하는 과정에서 발생한 중력파임을 확인하였다.

그림 2. 인터스텔라 영화 속에 등장하는 4차원정육면체(Tesseract). 4차원정육면체는 블랙홀 내부에서 주인공 쿠퍼를 구출한 도구로 설정되었는데, 새로운 차원의 존재를 전재로 하고 있다.

○ 배경

2017년 노벨물리학상이 중력파 연구를 주도한 3명에게 수여되었는데, 본인의 시나리오로 2014년 인터스텔라 영화를 제작한 칼텍의 킵손 교수도 노벨상 수상자에 포함되었다. 중력파로 노벨상을 수상한 킵손 교수에 의해 시작된 영화인 만큼 인터스텔라에는 중력파 이해에 필요한 우주 시공간의 주요 개념들이 많이 소개되었다. 비록 영화에 중력파가 직접 등장하지는 않지만, 2019년 중력파에 의한 토성 근처 웜홀 발견이 킵손 교수의 원래 시나리오였다. 토성 근처에 블랙홀이 존재하지 않음에도 불구하고 블랙홀 병합에서 발생한 중력파가 토성 근처에서 출발하여 지구로 오는 것을 관측함으로써, 토성 근처 웜홀의 존재를 확인한 것으로 설정되어 있다.

영화의 설정보다 4년 앞선 2015년 최초의 중력파 검출에 성공하였다 (그림 1). 이후 현재까지 블랙홀 쌍성 병합 과정에서 발생하는 5개의 중력파와 중성자별 쌍성 병합 과정에서 발생하는 한 개의 중력파가 검출되어 중력파천문학 시대가 열렸다. 또한, 중성자별 병합에 의한 중력파 관측 후에 감마선, 엑스선, 가스광선, 전파 영역의 후속 관측에 성공함으로서 다중신호천문학 시대가 열렸다.

○ 강연내용   

본 강연에서는 인터스텔라 영화 속에 등장하는 우주 시공간의 주요 개념을 먼저 소개한다. 

중력파는 진공 즉 4차원 우주 시공간을 통해 전달된다. 즉 중력파가 존재할 수 있는 가능성을 진공 자체가 내포하고 있다는 의미이다. 현대 물리학에서 양자장론으로 기술되는 진공은, 아무것도 없는 공간이 아니라, 새로운 입자-반입자들이 생성될 수 있는 무한한 가능성의 공간이다. 아인슈타인은 질량을 가진 물체가 진공을 변화시켜 빛도 휘어질 수 있음을 보였다. 물체에 의한 중력을 진공의 변화로 재해석한 것이다. 현대과학에서 시간과 길이의 기준은 빛을 이용하여 정의되므로, 휘어지는 정도가 다른 빛으로 측정한 시간과 길이는 다를 수 밖에 없다. 영화에서 밀러행성에서의 한 시간이 지구에서의 7년에 해당하는 이유이다. 이러한 시공간의 변화가 주기적으로 일어나면서 빛의 속도로 주위로 퍼져가는 것이 바로 중력파이다.

빛이 휘는 정도는 별의 질량 및 별 중심으로부터의 거리에 의존하는데, 좁은 공간에 질량이 몰려있어서 빛조차 빨아들이는 천체가 블랙홀이다. 은하 중심에 존재하는 거대 블랙홀과 은하 내부의 블랙홀이 관측으로 확인되었다. 영화에서는 은하 중심에 존재하는 거대 블랙홀로 설정하였다. 영화에 등장하는 블랙홀 모습은 빛의 경로가 휘는 일반상대론을 통하여 이해할 수 있다. 중력의 세기가 너무 작아서 현재 기술로 관측 가능한 중력파는 은하 내부의 블랙홀 또는 중성자별의 병합에서 발생한 것이다. 중성자별의 질량은 태양의 2배 정도인데 반경은 10여 km 밖에 되지 않는다. 중성자별이 외부 물질을 유입하여 한계 질량을 넘으면 블랙홀이 된다.

양자장론에 의한 시공간의 요동에 아인슈타인의 일반상대론을 적용하면, 시간과 길이가 정의가 안 되는 문제가 발생한다. 인터스텔라에서는 브랜드 박사와 머피 박사의 대화에서 이 문제를 지적하고 있다. 이 문제의 유일한 해결책이 새로운 공간차원의 도입이다. 인터스텔라 영화에서 새로운 차원은 후반부에 본격적으로 등장한다. 블랙홀로 빨려 들어간 주인공 쿠퍼를 구출하는데 사용된 기구 4차원정육면체(그림 2)도 새로운 차원의 존재를 바탕으로 한다. 본 강연에서는 시각에서 공간을 인식하는 방법과 비교하여 새로운 차원의 필요성을 소개한다.

위에 소개된 우주 시공간을 바탕으로 중력파의 기본 개념을 이해하고 관측된 중력파의 주요 특성을 살펴본다. 또한 중력파 천체물리 및 다중신호 천체물리의 미래 가능성에 대해서도 살펴본다.

○ 연구팀 및 연구 소개

 부산대학교 물리학과 천체물리연구진(지도교수 이창환)은 중성자별을 중심으로 다양한 강입자물리 및 천체물리 현상을 연구하고 있다. 강입자물리 분야에서는, 중성자별 내부는 밀도가 매우 높아 양성자 및 중성자와 같은 핵자를 비롯하여 야릇한 쿼크들로 구성된 다양한 강입자들이 존재할 것으로 예측되므로, 고밀도 강입자 물질 연구를 통하여 중성자별 내부 구조 연구를 진행하고 있다. 천체물리 분야에서는, 중성자별과 연관된 중력파 및 엑스선쌍성계 연구를 병행하고 있다. 특히 한국중력파연구단 및 라이고과학연구단의 멤버로서 중력파 검출에 참여하였다.

이창환 교수는 현재 한국연구재단의 지원으로 `중견자지원사업`에 연구책임자로 참여하고 있으며, `과학연구센터(SRC)`에 공동연구원으로 참여하고 있다. 또한 교육부와 한국연구재단의 지원으로 부산대학교 물리학과 BK21플러스 사업단의 단장을 맡고 있다.