아인슈타인 일반상대성이론, 또 하나의 시험대 통과하다

국제공동연구진 "삼중성계 관측 통해 일반상대성이론 등가원리 확인"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 아인슈타인의 일반상대성이론(general theory of relativity)이 또 하나의 엄정한 시험대를 통과했다.

네덜란드 전파천문학연구소 앤 아치볼드 박사가 이끄는 국제공동연구팀은 5일 국제학술지 '네이처'(Nature)에서 지구에서 4천200광년 떨어진 곳에 있는 중성자별과 백색왜성 2개로 이루어진 삼중성계를 정밀 관측, 중력이 극도로 큰 천체들의 상호작용 속에서도 일반상대성이론이 정확히 작동한다는 사실을 확인했다고 밝혔다.

일반상대성원리 검증에 이용된 삼중성계 상상도 지구에서 4천200광년 떨어진 곳에 있는 삼중성계(PSR J0337+1715). 오른쪽 푸른 빛을 내는 천체가 중성자별, 왼쪽의 큰 흰색 천체가 중성자별 주위를 1.6일에 한 바퀴씩 돌고 있는 백색왜성, 백색왜성 오른쪽 위의 작은 별이 바깥 멀리에서 안쪽의 중성자별과 백색왜성을 327일에 한 바퀴씩 돌고 있는 바깥쪽 백색왜성. [NRAO/AUI/NSF 제공=연합뉴스]

네이처는 이 결과에 대해 "모든 물체는 자체 중력과 관계없이 극한의 중력장 속에서 낙하할 때 동일한 가속도를 갖는다는 일반상대성이론의 등가원리(equivalence principle)가 지금까지 행해진 것 중 가장 엄중한 테스트를 통과했다"고 전했다.

일반상대성이론의 등가원리는 피사의 사탑에서 포탄과 사과를 떨어뜨리면 동시에 땅에 떨어지는 것처럼 모든 낙하하는 물체는 자체 질량이나 구성, 외부 중력의 영향 등과 관계없이 똑같이 가속도를 받는다고 설명한다.

학계에서는 이 원리가 대부분 성립한다고 보고 있지만 일부에서는 중력이 극도로 큰 극한 중력장 속에서는 일반상대성이론과 다른 중력이론이 작동할 수 있다는 가설들도 제기해 왔다.

연구진은 2011년 발견한 지구에서 4천200광년 떨어진 곳에 있는 삼중성계(PSR J0337+1715)를 6년여에 걸쳐 정밀 관측해 극한 중력장 속에서도 일반상대성이론이 정확히 적용된다는 결과를 얻었다.

삼중성계 PSR J0337+1715의 궤도 [네이처 논문 캡처=연합뉴스]

이 삼중성계는 중심에 초당 366회씩 회전하는 중성자별이 있고 그 주위를 백색왜성이 1.6일에 한 바퀴씩 돌고 있다. 바깥쪽 먼 곳에서는 또 하나의 백색왜성이 가운데의 두 별을 327일에 한 바퀴씩 회전하고 있다.

백색왜성은 크기는 지구와 비슷하지만 밀도가 매우 커 질량은 우리 태양과 맞먹는다. 중성자별은 크기는 백색왜성보다 작지만 밀도는 훨씬 커 중력도 매우 크다. 이런 별들은 별이 생명을 마칠 때 초신성폭발을 일으키면서 중심핵이 붕괴해 만들어진다.

연구진은 6년여 동안 네덜란드 웨스터보크 합성 전파망원경, 웨스트버지니아의 그린 뱅크 망원경, 푸에르토리코의 아레시보 전파망원경으로 각각 매우 큰 중력을 가진 중성자별과 안쪽과 바깥쪽 백색왜성이 서로 어떻게 영향을 미치는지 관측, 극한 중력장 속에서도 일반상대성이론이 작동하는지 검증했다.

그 결과 바깥쪽 백색왜성이 안쪽의 중성자별과 백색왜성에 미치는 중력의 영향 차이가 최대 260만분의 1 이하로 거의 차이가 없음을 확인했다.

네이처는 이 결과는 이전에 수행된 등가원리 검증을 1천배 정도 향상함으로써 아인슈타인의 일반상대성 이론이 옳다는 것을 뒷받침하고 있다고 설명했다.

남순건 경희대 물리학과 교수는 "극한적인 중력 환경에서도 일반상대성이론의 등가원리가 확고하게 검증됐다는 데 의미가 있다"며 "일반상대성이론이 빅뱅이나 블랙홀 같은 더 극한적인 상황에서는 깨지는 경우가 나오겠지만 이번 연구로 이 이론에 대한 믿음은 더 커지게 됐다"고 말했다.

scitech@yna.co.kr

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