11일(현지시간) 고급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO)가 직접 탐지에 성공했다고 발표한 '중력파'(gravitational wave)는 질량을 지닌 물체가 일으키는 중력에 따른 시공간의 물결이다.

중력파의 이론적 근거는 1916년 알베르트 아인슈타인(1879∼1955)의 일반상대성이론으로 거슬러 올라간다.

아인슈타인은 중력의 정체를 '시간과 공간이 일체가 돼 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 탐지에 성공한 것은 이번이 처음이다.

11일, 이스라엘 예루살렘에 위치한 히브리대학교의 로니 그로스가 '중력파 가설'에 대한 알베르트 아인슈타인의 원본 문헌을 들고 있는 모습.

Dave Reitze: "Up until now, we have been deaf to the universe. Today, we are able to hear #GravitationalWaves for the first time."

— LIGO (@LIGO) February 11, 2016

Gaby González: "We know that the black holes were 29 and 36 solar masses. We are hearing the universe."

— LIGO (@LIGO) February 11, 2016

과학자들은 그간 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 있으므로 직접 측정이 가능할 것이라고 믿어 왔다.

라이고 연구진은 레이저를 서로 수직인 두 방향으로 분리시켜 보낸 후 반사된 빛을 다시 합성해 경로 변화를 측정하는 방식으로 시공간의 뒤틀림을 측정했다.

또 약 3천km 떨어진 곳에서 두 개의 검출기를 동시에 가동해 가짜 신호와 진짜 신호를 구분하고, 미세한 시차를 이용해 파원의 방향을 추정했다.

이번 라이고 팀의 연구는 최초로 중력파를 직접 검출한 사례에 해당할뿐만 아니라, 최초로 블랙홀 두 개로 이뤄진 쌍성계의 존재를 확인하고 블랙홀의 충돌과 합병 과정이라는 극적 현상을 기록했다는 점에서도 의미가 있다.