LIGO-G1000559-v1

블랙홀 , 아인슈타인 , 그리고중력파 피터 솔슨

시라큐스 대학

2LIGO-G1000559-v1

은하수 중심에서의 미스터리

- UCLA 의 천문학자 안드레아 게즈 , 우리 은하 중심 (은하수 ) 에 대한 적외선 관측 수행 .

- 옆의 그림은 1995 년부터 현재까지 별의 위치에 대한 그녀의 관측 동영상 .

- 별들이 어떤 보이지 않는 물체 주위로 궤도운동을 하는 것에 주목하라 .

- 이 궤도로부터 그 보이지 않는 물체의 질량을 결정할 수 있는데 , 그 질량은 무려 태양 질량의 4 백만 배나 된다 !

- 이 물체는 블랙홀인가 ?

3LIGO-G1000559-v1

블랙홀이란 무엇인가 ?

- 태양의 모든 질량을 압축해서 직경 4 마일 (~6.4 km) 의 공 속에 밀어 넣는다고 해보자 .

- 만약 여러분이 이런 일을 할 수 있다고 한다면 , 이 물체는 과연 어떤 상태가 될까 ?

- 표면의 중력은 아마 너무나도 강해서 아무것도 , 심지어 빛조차도 빠져나갈 수 없다 .

- 한 번 이런 상태가 발생하면 , 중력은 또한 너무나도 강해 그 어떤 힘도 이 별이 자체의 무게에 의해 완전히 붕괴하는 것을 막을 수 없다 .

- 이 물체는 최종적으로 원래의 질량 모두를 담는 한 점 (!) 으로 되는 것이다 .

4LIGO-G1000559-v1

블랙홀은 위협적인 것인가 ?

- 블랙홀은 우주에 있는 모든 것을 잡아먹을 것인가 ?- 아니다 .(No.)- 블랙홀의 강한 중력은 이 블랙홀과 매우 가까운

곳에서만 강하다 .- 사건 지평면은 별의 표면을 나타내는 유령과 같은

곡면인데 , 별 표면에서 빛이 탈출 할 수 없게 되기 시작하는 거리에 있다 . 이런 별에서 더 멀어지면 중력은 약해져서 마치 보통의 다른 물체에서처럼 점점 약해진다 .

- 만약 태양이 갑자기 블랙홀이 된다면 , 지구 정도 거리에서의 중력은 아마도 변함이 없을 것이고 우리 지구는 예전과 다르지 않게 궤도운동을 할 것이다 . (물론 , 우리는 햇빛이 그리워 지겠죠… !)

5LIGO-G1000559-v1

블랙홀은 흥미롭다 !

- 블랙홀은 상상할 수 있는 가장 극단적인 형태의 한 물질로 이루어져 있다 . 너무나 밀집되어 있어서 이것은 거의 물질이 아니다 . 물질을 규정하는 성질 중 남아있는 것이라고는 질량뿐이다 . 유명한 표현을 빌리자면 , “ 블랙홀은 털이 없다 .” ( 개개의 고유한 특성을 갖지 않는다는 것이다 .)

- 블랙홀을 이해하는 또 다른 길은 이것이 순전히 중력으로 이루어져 있다는 것이다 . 즉 , 아인슈타인의 용어로 표현하자면 , 블랙홀은 순수한 “ 시 - 공간 곡률” 로 이루어져 있다는 것이다 .

6LIGO-G1000559-v1

아인슈타인의 중력에 대한 관점 : 일반상대론

1915 년부터 알버트 아인슈타인은 중력에 대한 새로운 이론을 개발하기 시작했다 .

기본적인 생각은 중력이 힘이 아니라 오히려 시공간 곡률의 표현이라는 것이다 .

공간과 시간은 세계를 이루는 어떤 단순한 무대가 아니라 그 자신 어떤 성질을 갖는 것이다 . 무엇보다도 그것은 “ 휘어질” 수 있는데 , 이것이 의미하는 바는 물체가 시공간의 이러한 성질에 의해서 직선상에서 일정하게 움직이지 못할 수 있다는 것이다 .

시공간 곡률은 질량에 의해 만들어진다 . 그러므로 , 일반상대론은 중력을 포함하며 , 더구나

이것을 “ 설명한다 .”

7LIGO-G1000559-v1

물체는 시공간이 어떻게 휘어져야 할지를 말해준다 . 시공간은 물체가 어떻게 움직여야 할지를 말해준다 .

8LIGO-G1000559-v1

블랙홀 , 일반상대론의 관점에서

블랙홀 근처에서 보는 시공간

탈출 속도가 빛의 속도를 넘어가는 영역에서 휘어진 시공간의 기하는 극단적이 된다 .

9LIGO-G1000559-v1

블랙홀을 생성하는 물체의 슬픈 운명

그 어떤 힘도 블랙홀을 생성하는 물체를 지탱해 줄 수 없다 . 내부에 있는 모든 물질은 하나의 점으로 붕괴한다 .

10LIGO-G1000559-v1

블랙홀은 정말로 저 하늘너머에 존재하는가 ?

블랙홀이란 개념은 참으로 별나다 . 블랙홀이 정말로 존재하는지 우리는 알고 싶다 . 존재한다면 , 그것들의 성질은 무엇인가 ? 얼마나 무거울 것이며 , 얼마나 많을 것인가 ?

처음에는 영원히 답을 알 수 있을 것 같지 않다 . 결국 , 빛조차도 블랙홀로부터 벗어나지 못한다면 , 어떻게 이것이 관측될 수 있단 말인가 ?

그럼에도 불구하고 , 블랙홀이 정말로 존재한다는 증거는 쌓여가고 있다 .

이제 , 저는 블랙홀을 감지하는 하나의 새로운 방법을 설명하고자 하는데 , 이로 인해 우리는 그것들과 “가깝고도 친밀한” 사이가 되어 좀 더 자세히 연구할 수 있게 된다 .

11LIGO-G1000559-v1

블랙홀 진동은 시공간의 잔물결을 생성한다

하나의 블랙홀이 섭동을 받거나 찌그러지면 , 혹은 새로 생성되면 , 이것은 진동을 일으키게 될 것이다 .

진동하는 블랙홀은 중력파라고도 알려져 있는 시공간 상의 파문 ( 波紋 )을 만든다 .

두 개의 블랙홀이 충돌하면 , 하나의 좀 더 큰 (그렇지만 짧은 순간 찌그러진 ) 새로운 블랙홀을 생성할 것이다 .

이러한 일은 블랙홀 쌍성 , 즉 , 서로를 마주보고 빙빙 회전하는 두 개의 블랙홀 , 에서 자주 발생한다 .

중력파는 궤도 운동하는 블랙홀에 의해 만들어진다 . 이렇게 생성된 중력파는 에너지를 갖고 나가게 되는데 , 이로 인해 두 개의 블랙홀은 서로를 향해 가까워지는 나선운동을 하게 되고 결국은 충돌해서 더 무거운 하나의 블랙홀을 형성하게 된다 .

12LIGO-G1000559-v1

두 블랙홀 충돌 시뮬레이션

13LIGO-G1000559-v1

우리를 통과하는 시공간 파문( 빨간색 시뮬레이션 )

14LIGO-G1000559-v1

적절한 “ 확성기”가 있다면 우리는 이러한 파문을 들을 수 있다

여기 두 블랙홀의 충돌로부터 나오는 중력파를 재생하는 녹음기가 있는데 , 큰 소리를 내는 스피커를 통해 직접 재생하는 것이다 .

이것을 들을 수 있게 하려면 증폭외의 다른 어떤 변경도 필요하지 않다 . 이 시공간의 파문은 (인간의 ) 청각 영역에서 자연적으로 발생한다 .

15LIGO-G1000559-v1

시공간 파문에 대해 어떻게 “ 확성기”를 만드는가

16LIGO-G1000559-v1

파문 ( 波紋 )이 하는 일은

17LIGO-G1000559-v1

좀 더 간단히 …

18LIGO-G1000559-v1

간섭계는 시공간 파문의확성기 역할을 할 수 있다

19LIGO-G1000559-v1

간섭계의 작동원리는

x 축으로부터의 파동

y 축으로부터의 파동빔분리계로부터 나오는 빛

20LIGO-G1000559-v1

라이고 핸포드(LIGO Hanford)

21LIGO-G1000559-v1

라이고 리빙스턴(LIGO Livingston)

22LIGO-G1000559-v1

초기 라이고와 고등 라이고(Initial LIGO and Advanced LIGO)

초기 라이고 영역

Image: R. Powell

고등 라이고 영역

23LIGO-G1000559-v1

중력파 탐색 어디까지 와있나 ?

우리는 초기 라이고로부터 수년 동안 관측과 데이터 분석을 수행해왔다 .

현재까지 불행히도 중력파를 발견하지 못했다 . 올해 말 , 우리는 현재보다 10 배의 정밀도를 갖는 고등

라이고 설치를 시작하기 위해 계측기를 해체할 것이다 .

2015 년까지 , 고등 라이고는 작동할 준비가 돼있을 것이다 . 이 라이고는 중력파 신호를 감지할 수 있는 충분한 정밀도를 갖추게 될 것이다 .

그러면 , 우리는 시공간 파문을 감지하는 이 새로운 “ 귀”를 사용해서 우주를 탐험하고 블랙홀의 본질을 들여다 볼 준비가 돼있을 것이다 .