디스커버리호, 천문학의 새로운 시대를 열다

(댄 트리) - 10년 전, 과학자들은 처음으로 우주의 소리를 들었습니다. 이 발견은 아인슈타인의 중요한 예측을 입증했고 천문학의 새로운 시대를 열었습니다.

왼쪽: 물리학자 알베르트 아인슈타인, 오른쪽: 칼 녹스 씨 - 호주 스윈번 공과대학교의 창의적 기술 및 과학적 시각화 전문가.

이것이 중력파의 첫 발견 이었습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 핵심 예측이 입증되었습니다. 이제 중력파의 새로운 발견으로 천문학계의 또 다른 "거인" 스티븐 호킹의 이론이 검증되었습니다.

중력파란 무엇인가?

중력파는 시공간의 "잔물결"로, 빛의 속도로 이동합니다. 중력파는 블랙홀의 충돌이나 중성자별이라고 불리는 거대한 별의 잔해의 합병처럼 매우 빠르게 가속되는 거대한 천체에 의해 생성됩니다.

우주 전체에 퍼져 나가는 이러한 파장은 2015년 9월 14일 미국에 있는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 두 검출기에 의해 처음으로 직접 관측되었습니다.

GW150914라 불리는 첫 번째 신호는 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 발생했는데, 두 블랙홀은 각각 태양 질량의 30배가 넘고 지구에서 10억 광년 이상 떨어져 있습니다.

이는 100년 전 아인슈타인의 상대성 이론에서 예측했던 중력파의 첫 번째 직접적인 증거였습니다. 이 발견으로 라이너 바이스, 배리 배리시, 킵 손 세 명의 과학자가 2017년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

시뮬레이션은 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀에 의해 생성된 중력파를 보여줍니다( 비디오 : MPI).

10년도 안 되는 기간에 수백 개의 신호

2015년 이래로 LIGO와 이탈리아의 Virgo, 일본의 KAGRA 검출기를 통해 300개 이상의 중력파가 관측되었습니다.

불과 몇 주 전, 국제 LIGO/Virgo/KAGRA 협업팀은 네 번째 관측에서 얻은 최신 결과를 발표했는데, 그 결과 알려진 중력파의 수가 두 배 이상 늘어났습니다.

최초의 발견 이후 10년 만에, 호주 연구 위원회 중력파 발견 센터(OzGrav)의 호주 과학자를 포함한 국제 협력팀이 최근 새로운 중력파 신호인 GW250114를 발표했습니다.

이 신호는 GW150914로 코드화된 최초의 중력파 신호의 거의 완벽한 복제품입니다.

관측된 중력파 GW250114(LVK 2025). 관측 데이터는 밝은 회색으로 표시되어 있습니다. 부드러운 파란색 곡선은 관측 신호와 매우 잘 일치하는 이론적 파형 모델을 가장 잘 나타냅니다.

GW250114를 생성한 블랙홀 충돌은 GW150914와 물리적 특성이 매우 유사합니다. 그러나 지난 10년간 중력파 검출기의 상당한 업그레이드 덕분에 새로운 신호는 훨씬 더 선명하게 관측되었습니다(GW150914보다 거의 4배 더 강했습니다).

흥미로운 점은 이를 통해 또 다른 선구적인 물리학자, 스티븐 호킹의 아이디어를 시험해 볼 수 있다는 것입니다.

호킹도 옳았습니다.

50년 전, 물리학자 스티븐 호킹과 야콥 베켄슈타인은 블랙홀을 설명하는 일련의 법칙을 공식화했습니다.

호킹의 블랙홀 역학 제2법칙, 즉 호킹의 면적 정리는 블랙홀의 사건 지평선 면적이 항상 증가해야 한다는 것을 명시합니다. 즉, 블랙홀은 붕괴할 수 없습니다.

한편, 베켄슈타인은 블랙홀의 면적이 엔트로피(또는 무질서)와 직접적인 관련이 있음을 보여주었습니다. 열역학 제2법칙은 엔트로피가 항상 증가해야 한다고 말합니다. 즉, 우주는 항상 무질서해지고 있다는 것입니다. 블랙홀의 엔트로피도 시간이 지남에 따라 증가해야 하므로, 이는 블랙홀의 면적 또한 증가해야 함을 의미합니다.

이러한 아이디어를 어떻게 검증할 수 있을까요? 블랙홀 간의 충돌이 완벽한 도구라는 것이 밝혀졌습니다. 새로운 측정의 정밀성 덕분에 과학자들은 호킹의 면적 정리를 지금까지 가장 정밀하게 검증할 수 있게 되었습니다.

첫 번째 검출물인 GW15091을 사용한 이전 실험에서는 해당 신호가 호킹의 법칙과 일치한다는 것을 시사했지만, 확실하게 확인할 수는 없었습니다.

블랙홀은 놀라울 정도로 단순한 천체입니다. 블랙홀의 지평선 면적은 질량과 회전 속도에 따라 결정되는데, 이는 천체 블랙홀을 설명하는 데 필요한 유일한 매개변수입니다. 다시 말해, 질량과 회전 속도는 중력파의 모양을 결정합니다.

과학자들은 충돌하는 두 블랙홀의 질량과 스핀을 각각 측정하고, 충돌 후 남은 최종 블랙홀의 질량과 스핀과 비교함으로써, 두 개별 충돌 블랙홀의 면적을 최종 블랙홀의 면적과 비교할 수 있었습니다.

이 데이터는 해당 면적이 증가해야 한다는 이론적 예측과 매우 잘 일치하며, 호킹의 법칙을 강력하게 뒷받침합니다.

앞으로 중력파를 관측하면 더욱 이국적인 과학 이론을 시험해 볼 수 있고, 심지어 우주의 사라진 구성 요소인 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질을 탐구할 수도 있을 것입니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/phat-hien-mo-ra-ky-nguyen-moi-trong-thien-van-hoc-20250930235223429.htm