일반상대성이론

일반상대성이론

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빛의 해 로고_일반상대성이론이 나온 100년을 기념하여 UN이 2015년을 세계 빛의 해(international year of light 2015: IYL2015)로 선포하였다. 그림은 빛을 형상화한 이의 로고이다.

아인슈타인은 앞에서 설명한 두 생각을 발전시켜서 일반상대성이론(general relativity)을 완성하였다. 이 이론은 특수상대성이론과 달리 아주 복잡한 수학의 내용이 들어 있어 쉽게 이해하기 힘들다. 뿐만 아니라 쉬운 개념으로부터 설명하기도 힘들다. 따라서 비유로서 설명을 시도해 보자.

빛은 언제나 공간에서 직선으로 나간다. 그렇다면 빛이 휘어진다는 것은 실제로 공간이 휘어져 있기 때문이다. 이렇게 휘어진 공간이라는 것을 이렇게 생각해 보자. 애들이 뛰고 노는 트램펄린 - 고무로 되어 아이들이 그 위에서 마음대로 뛰어 노는 탄력을 가진 놀이기구 - 을 마음속에 생각해 보자. 이 트램펄린 위에서 당구를 치고 있다. 퐁퐁이 반듯하게 있을 때 그 위에서 당구공을 쳐 주면 직선으로 굴러 갈 것이다. 그러나 주변에 다른 당구공이 하나 놓여 있으면 그 당구공 주위로 고무판이 움푹 들어갈 것이다. 그렇다면 이제 그 주변을 지나가는 당구공은 마치 당구공이 당기는 듯 꺾어지는 곡선의 경로를 따라 갈 것이다.

공간이 휘어진다는 것은 바로 이 트램펄린의 고무판과 비슷하다. 주변에 아무것도 없으면 공간이 반듯반듯하게 휘어지지 않은 채로 있다. 이때 빛은 직진을 하게 된다. 그러나 주변에 무거운 물체가 있으면 공간이 심하게 휘어져 있게 된다. 그 휘어진 위를 직진한다는 것이 실제로는 꺾어지는 운동을 하는 것이다.

_ 특수상대성이론_ 아인슈타인

일반상대성이론의 확인

최초의 확인 - 태양에 의한 빛의 꺾임

상대성이론이 발표된 몇 년 후인 1919년 5월 29일 빛이 태양의 중력에 의해 꺾어지는 것을 이용하여 일반상대성이론을 검증하였다. 빛의 경로가 가시적으로 꺾이기 위해서는 적어도 태양 정도의 중력이 있어야 한다. 따라서 이를 직접 실험실에서 측정하기는 불가능하고 태양을 이용하는 실험을 생각하게 되었다. 보통의 경우 태양은 너무 밝아서 그 곁을 스쳐지나가는 빛을 지상에서 관찰할 수 없으나 일식이라면 태양 빛을 달이 가려막기 때문에 주변의 별도 관측가능하다.

위 그림은 이러한 실험의 절차를 보여주고 있다. 그림에서 '실제의 별'에서 나온 빛은 태양 주변을 지나면서 태양의 중력에 의해 경로가 꺾어진다. 이를 지구에서 관찰하면 별의 위치가 '겉보기 별'에 있는 것으로 관찰된다. 이 겉보기 위치와 '기준 별'이 이루는 시차를 측정하고 평상시의 두 별의 시차와 비교한다. 당연히 평상시에는 두 별로부터 나오는 빛을 꺾어줄 강력한 중력의 존재가 없으니 중력의 존재가 있을 때에 비하여 더 좁게 측정되었을 것이다.

일반상대론이 발표된 뒤 몇 년 후인 1919년 드디어 일식이 있었다. 계산결과 태양 주변을 지나는 빛이 약 1.75초(1도의 3600분의 1) 꺾어진다는 것이 예측되었고, 측정결과 1.61±0.3이었다.

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중력렌즈에 의해 4개로 보이는 은하_ 멀리 있는 은하에서 나온 빛이 블랙홀로 짐작되는 물체를 스쳐지나오면서 휘어져서 4개의 영상으로 보인다.

중력렌즈

그 외에도 천문학에서 여러 가지가 예측되었고 이들이 속속 확인이 되었다. 이 중에서 중력렌즈(gravitational lens)가 있다. 중력렌즈의 효과는 아인슈타인에 의해 1937년 예언되어 1979년에 처음으로 관측되었다.

오른편 그림은 은하의 영상이 4개로 보이는 것으로 그 앞에 있는 블랙홀에 의해 빛이 꺾인 것으로 짐작되고 있다. 이 경우처럼 영상이 두 개나 네 개로 보이는 경우도 있지만 실제의 렌즈와 비슷하게 상이 테두리 형태로 나타나는 것은 더 극적이라 할 수 있다. 중력렌즈로서 지구상에 관찰되는 테두리의 영상을 만들기 위해서는 빛을 꺾어주는 물체의 중력이 매우 커야하는 데 이는 수백~수천의 은하가 서로의 중력에 의해 뭉쳐 있는 은하송이(galactic cluster)라면 가능할 수 있다. 이 은하송이 뒤에 다른 은하가 있으면 이의 상이 왜곡되어 나타날 수 있다.

중력렌즈는 일반 렌즈처럼 영상을 증폭하거나 축소하는 등 완전하게 결상을 하는 것은 아니지만 아래 그림에서 볼 수 있는 것처럼 지구와 은하송이, 그 보다 먼 은하를 이어준 축에 대해 중력의 효과가 어느 정도 대칭이라면 상당한 범위에 걸쳐서 원호의 영상이 보일 수 있을 것이다.

아래 그림은 허블 우주망원경에 의해 촬영된 영상으로 Abell 2218 은하송이의 모습이 주로 보이나 그 주변에 원호의 줄무늬가 여럿 보인다. 이의 영상은 Abell 2218보다 10배나 더 먼 거리에 있는 다른 은하의 것이다. 이렇게 큰 범위로 더 밝은 원호로의 영상을 만드는 Abell 2218은 자구로부터 20억광년 정도 떨어져 있는 매우 무거운 은하송이이다.

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중력렌즈에 의한 은하의 실제 영상_ 1994년 허블 우주망원경에 의해 촬영된 은하송이인 Abell 2218의 사진이다. 흩어져서 별처럼 보이는 것이 이 은하송이를 구성하는 은하들이다. 이들 사이 군데군데 원호들이 보이는 데 이는 Abell 2218보다 10배 정도 더 멀리 있는 다른 한 은하에서 나온 빛이 Abell 2218의 중력렌즈 효과에 의해 왜곡된 것이다.

_ 허블 우주망원경_ 아인슈타인_ 블랙홀_ 보일