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빛나는 별들이, 북두칠성이 보이니?

조회수 2016. 4. 1. 15:28 수정
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갈릴레이에서 중력파까지, 뒤바뀐 천문학의 패러다임
고대부터 하늘을 바라보며 별을 관측하고 기록해온 천문학의 역사는 다름 아닌 망원경의 역사이다.

인간의 눈에 가장 민감한 가시광선에 의존한 관측은 고대부터 이어져온 관측의 가장 중요하고 핵심적인 수단이었다. 대적도, 혼천의와 같은 관측 기기를 개발하고 이용했음에도 불구하고 여전히 인간의 눈에 의존한 일이었다.
출처: www.museumsinflorence.com
갈릴레이가 만든 망원경(왼쪽)과 그가 그린 달의 변화 스케치(오른쪽).
천문학에도 '태초에 빛이 있으라'
망원경이라 이름 붙은 이 기구는 비로소 갈릴레오 갈릴레이에 의해서 본격적인 천체 관측 수단으로 발전했다. 육안으로 관측하던 범위를 놀라울 정도로 확장한 천문학의 첫 번째 혁명이었다. 갈릴레이가 개선한 망원경은 목성의 위성을 발견하는 기염을 토하기도 했다. 이후 요하네스 케플러 등에 의해 발전된 광학망원경은 천체를 관측하는 주요 수단이 됐다.

1865년 제임스 클러크 맥스웰은 빛의 운동을 아름다운 네 개의 방정식으로 요약했다. '전자기 이론'으로 불리는 이 이론은 전기와 자기 현상이 전자기파의 다른 양면이라고 밝히고, 이들이 통합적으로 이해될 수 있음을 증명한 최초의 통일 이론이었다.
출처: 위키피디아
오스트레일리아에 건설 예정인 거대 규모 전파망원경 네트워크(SKA) 조감도.
전파천문학으로 우주를 보다
20여 년이 지난 1887년 하인리히 헤르츠는 그가 특별히 고안한 실험장치에서 이 전자기파가 실제로 존재함을 증명했다. 전자기파가 검출된 것이다. 헤르츠의 실험을 통해 알게 된 것은 전자기파가 횡파이며, 빛의 속도로 전파된다는 사실이다. 다른 주파수 대역의 전파들이 바로 전자기파의 모습이다.

8년 뒤 굴리엘모 마르코니는 헤르츠의 실험에 기초하여 장거리 무선통신을 성공시켰고, 이 공로가 인정되어 1909년에 노벨 물리학상을 받았다. 1931년 벨연구소의 칼 잰스키는 대서양 횡단 전파통신에서 발생하는 잡음을 연구하던 중 궁수자리의 은하수로부터 오는 강력한 전파가 있다는 것을 알아냈다. 전파천문학의 탄생을 알리는 결정적인 사건이었다. 그동안 가시광선에 의전한 광학망원경으로 관측하던 우주를 새로운 관측 수단인 다른 주파수 대역의 전파를 통해서 다른 모습을 볼 수 있다는 사실을 인식하기 시작한 것이다.

거대 전파망원경들은 모두 130여 년 전 헤르츠가 전자기파 검출에 성공함으로써 발전된, 우주를 바라보는 새로운 창이었다.
출처: 라이고 과학협력단 제공
지난해 9월14일 포착된 중력파 신호의 파형.
중력파 천문학의 시작
2016년 2월12일 새벽(한국시각), ‘어드밴스드 라이고’라고 불리는 이 특별한 망원경은 1916년 알베르트 아인슈타인이 이론적으로 존재한다고 예언했던 ‘중력파’가 실제로 존재하고 직접적으로 ‘검출’되었음을 전세계에 알렸다. 중력파는 질량을 가진 물체가 운동의 변화를 일으킬 때 마찬가지로 중력의 변화가 파동처럼 전파되는 것이다. 1990년대부터 과학자들은 ‘레이저 간섭계’라고 불리는 특별한 장치의 망원경을 고안했다.

어드밴스드 라이고가 관측했던 것은 태양 질량의 36배와 29배가 되는 두 개의 블랙홀이 서로 충돌하여 하나의 블랙홀로 합쳐지는 순간에 방출되어 13억 광년을 날아 지구에 도달한 중력파 신호였다. 어드밴스드 라이고가 처음 건설될 때부터 ‘천문대(observatory)’라고 이름 붙여진 까닭은 새로운 개념의 망원경으로 충돌하는 블랙홀을 관찰했기 때문이다.
출처: NASA
우주는 중력파로 가득차있다. 우리는 그것을 듣기 위해서 중력파 망원경을 열어두고 기다리기만 하면 될 것이다. 우주에 퍼져 있는 중력파는 빛이 미칠 수 없는 천체들이나, 우주 초기에 빛이 생기기 이전 우주의 모습을 간직하고서 우리에게 전달될 것이다.

기사 '‘제3의 눈’으로 우주를 보다' 보러가기

글 오정근 국가수리과학연구소 선임연구원
기획·제작 김재희

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