2-4. 중력파 — 시공간의 잔물결 (LIGO의 발견)

2015년 9월 14일 오전 5시 51분(미국 동부시간), 지구가 떨렸다.

정확히 말하면, 지구를 이루는 공간 자체가 떨렸다. 그 떨림은 13억 년 전, 두 블랙홀이 서로의 주위를 미친 듯이 돌다가 하나로 합쳐지면서 만들어낸 것이었다. 그 충돌의 마지막 순간, 태양 질량 3개에 해당하는 에너지가 순수한 시공간의 진동으로 변환되어 우주 전체에 퍼져 나갔다. 그 잔물결이 13억 년을 여행하여 마침내 지구에 도달했을 때, LIGO라는 이름의 장치가 그것을 잡아냈다.

떨림의 크기는? 양성자 지름의 1000분의 1 이하. 이것을 측정한다는 것은, 지구에서 가장 가까운 별(4.2광년 거리)까지의 거리에서 머리카락 한 올의 굵기 변화를 감지하는 것과 비슷하다.

이것이 중력파다. 아인슈타인이 100년 전에 예측했지만 너무 미약해서 검출이 불가능할 것이라고 본인조차 의심했던, 시공간의 잔물결.

지금까지의 이야기

이 절까지 우리는 일반상대론의 세 가지 놀라운 예측을 만나왔다. 빛의 굽힘(2-1절), 중력 적색편이(2-2절), 블랙홀(2-3절). 이것들은 모두 시공간이 정적으로 휘어져 있는 상황에서 나타나는 현상이었다 — 태양이 시공간을 휘게 하고, 그 휘어진 시공간 위에서 빛이 굽거나 시간이 느려지는 것.

그런데 여기서 자연스러운 질문이 하나 떠오른다.

"시공간의 휘어짐이 변할 수 있다면 — 예를 들어 거대한 질량이 격렬하게 움직인다면 — 그 변화가 파동처럼 퍼져 나가지 않을까?"

잔잔한 호수에 돌을 던지면 물결이 사방으로 퍼져 나간다. 시공간도 마찬가지가 아닐까?

아인슈타인은 1916년, 일반상대론을 발표한 이듬해에 이 질문에 답했다. 답은 **"그렇다"**였다. 시공간의 휘어짐은 파동의 형태로 빛의 속도로 전파될 수 있다. 이것이 중력파(gravitational waves)다.