‘중력의 비밀’ 열쇠 쥔 삼중성 발견

중력의 본질을 설명하는 알베르트 아인슈타인의 일반상대성원리는 지금까지 모든 실험에서 옳은 것으로 입증됐지만 이런 원리가 과연 극단적인 조건에서도 적용될 수 있는지 검증할 수 있는 희귀한 삼중성계(三重星界)가 발견됐다고 BBC 뉴스가 5일(현지시간) 보도했다.

미국 국립전파천문관측소(NRAO) 과학자들은 세계 최대의 단일 접시 망원경인 그린 뱅크 망원경을 이용, 지구로부터 약 4천200광년 거리에서 초당 366회 회전하는 펄서(빠르게 회전하는 중성자별)와 두 개의 백색왜성이 지구의 태양 공전 궤도보다도 작은 범위 안에 몰려 있는 것을 발견했다고 네이처지에 발표했다.

이처럼 초근접 상태의 삼중성은 정확한 중력 측정을 가능하게 해 주는 것으로 과학자들은 이를 통해 아인슈타인의 이론에 따르는 문제들을 풀 수 있을 것으로 보인다고 밝혔다.

연구진은 "이 삼중성계는 일반상대성 이론이 통하지 않을 것으로 예상되는 극단적인 조건을 시험해 볼 수 있는 최적의 우주 실험실이 될 것"이라고 말했다.

초신성 폭발을 일으킨 거대한 별의 잔해인 펄서는 축을 중심으로 초고속으로 회전하기 때문에 마치 등대 불빛 같은 전파를 발산하며 블랙홀에 가까울 만큼 밀도가 높아 에베레스트 산의 무게가 찻숟갈 하나에 담길 정도이다.

과학자들은 '밀리초 펄서'(millisecond pulsar)라고 불리는 이런 천체를 이용해 중력의 효과를 측정하는데 추가관찰 결과 이 펄서는 가까운 백색 왜성과 서로를 도는 것으로 밝혀졌고 이 두 별은 보다 먼 거리의 또 다른 백색왜성과 서로를 도는 것으로 나타났다.

지금까지 발견된 삼중천체 가운데 유일하게 밀리초 펄서가 들어 있는 것은 외곽에 행성을 거느려 약한 중력 상호작용을 하는 것뿐이었는데 이번 삼중계 발견으로 과학자들은 처음으로 중력의 효과와 본질을 정확하게 연구할 수 있게 됐다.

연구진은 "이 삼중성계에서 각 천체가 서로에게 미치는 중력 간섭은 믿을 수 없을 만큼 순수하고 강력하다"고 밝혔다.

이들은 펄서가 방출하는 전파 펄스의 도착 속도를 근거로 세별 사이의 기하학적 구도와 각 별의 질량을 계산한 결과 안쪽 백색 왜성은 공전 주기가 2일 미만이었고 바깥쪽 백색왜성의 공전 주기는 거의 1년이나 되는 것으로 나타났다.

이 삼중성계는 에너지가 곧 질량이며 물체에 미치는 중력의 영향은 물체의 성질이나 내부 구조와는 무관하다는 아인슈타인의 '등가(登價) 원리'가 적용되지 않는 예외적인 사례를 시험하는 최상의 기회가 되고 있다.

등가 원리는 갈릴레오 갈릴레이의 유명한 피사 사탑 실험에서 검증됐고 1971년 달 우주선 아폴로 15호의 데이브 스콧 선장이 공기 저항이 없는 달에서 망치와 새의 깃털을 떨어뜨리는 실험으로 또다시 입증했다.

갈릴레오의 실험에서는 무게가 다른 두 공이 같은 속도로 떨어졌고 아폴로 실험에서도 망치와 깃털이 같은 속도로 떨어졌다.

연구진은 "아인슈타인의 일반상대성 이론은 지금까지 모든 실험에서 입증됐지만 양자역학 이론과는 양립하지 않는다"면서 "이 때문에 물리학자들은 극한 조건에서는 이런 이론이 무너질 것으로 예상한다"고 밝혔다.

과학자들은 지금까지의 어떤 실험 조건보다도 여러 배 민감한 우주에서 펄서의 '등대' 불빛을 정확하게 측정함으로써 등가 원칙이 적용되지 않는 사례를 추적할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이들은 "일탈 사례를 발견한다면 일반상대성이론이 무너지는 것이고, 그렇게 되면 우리는 정확한 새 중력 이론을 찾아야 할 것"이라고 말했다.