"중력렌즈의 휨"이라는 상대성이론을 우주에서 증명하다.

 

 

"중력렌즈의 휨"이라는 상대성이론을 우주에서 증명하다.

 

후세백작 2013.04.06 19:17

 

 

인간은 사고를 하며 그 표현의 언어와 문자,기호 기록으로 나타내는 유일한 고등동물이다.

그래서 말 많은 인간들 이지만 인간이 우주를 향한 목소리는 단 한 줄 "중력렌즈의 휨'이란 아인슈타인의

예언뿐인데 물론 1906년에 실험 물리로 이를 증명하였지만, 이제 과학의 진 일보 발전에 힘입어 지구를

넘어서서 우주에서 " 중력렌즈의 효과"를 증명하였다.

 

인간의 우주를 향한 단 한마디 "중력렌즈의 효과"는 옳았슴이 증명 되었다.

 

  이번 4일 NASA (현지시간) 홈페이지에 케플러 우주 망원경을 통해 백색왜성이 동반성을 통과하면서 밫이

굴절되는 현상을 촬영하여 우리 인간으로선 우주를 향해 딱 한마디의 말, 아인슈타인의 '중력렌즈의 휨'의

현상을 증명할것으로  아인슈타인이 1915년에 발표한 일반상대성 원리를 100여년후, 지금 그를 입증할 증거를

포착하였다.

 

이번 NASA에서 케플러 우주망원경으로 포착된 빛이 중력에 의해 굴절되는 모습,

 2013-04-06  

                           

 

   아인슈타인은 일반 상대성 이론(General Theory of Relativity)에서 세 가지를 예측했다.

   모두 중력과 관계가 있다.

1. 원래는 직진하는 빛이 중력의 영향으로 구부러진다.
2. 태양의 제일 가까운 궤도를 돌고 있는 수성이 태양 중력의 영향으로 근일점이 이동한다.
3. (당시에는 발견되지 않았던)무거운 별로부터 나오는 빛이 중력의 영향을 받아 스펙트럼

선의 파장이

    긴 빨간색 쪽으로 기울어져 관측된다.

 

                      

케플러 망원경으로 촬영된 사진은 고밀도의 백색왜성이 쌍성 중 어둡고 무거운 동반성을 통과할 때의 장면

이다.

백색왜성을 동반성을 통과하는 순간 붉은색의 동반성의 불빛이 휘어지는 것을 확인할 수 있다.

 

  필 뮤어헤드 캘리포니아공대 박사는 "이 백색왜성은 지구만한 크기지만 태양 만큼의 질량을 가졌다"라며 "동반성은 물리적인 크기에서 더 커지지만, 백색왜성의 주위를 둥글게 감싼다"라고 설명했다.
NASA는 케플러 망원경의 감지기 덕분에 이 장면을 확인할 수 있었다고 강조했다.
  이번 나사의 이 장면을 이해해 보자.

 

일반상대성원리에서 시공간은 중력에 의해 변화하며, 중력이 강한 곳의 시간은 중력이 약한 곳에 있는 시간보다 느리다. 따라서 강한 중력장 내에 있는 원자에서 방출된 빛의 진동수는 약한 중력장 내에서의 같은 빛보다 낮은 진동수 쪽으로 적색 이동된다. 빛보다 낮은 진동수 쪽으로 적색 이동된다.

 

일반상대성이론은 가속에 의한 영향은 중력과 동등하며, 일정한 가속도를 가진 관측자에게도 물리법칙이 변하지 않는다는 상대성원리에 기반한다.

 

아인슈타인은 일반 상대성 이론(General Theory of Relativity)에서 세 가지를 예측했다. 모두 중력과 관계가 있다.

1. 원래는 직진하는 빛이 중력의 영향으로 구부러진다. 2. 태양의 제일 가까운 궤도를 돌고 있는 수성이 태양 중력의 영향으로 근일점이 이동한다. 3. (당시에는 발견되지 않았던)무거운 별로부터 나오는 빛이 중력의 영향을 받아 스펙트럼 선의 파장이 긴 빨간색

   쪽으로 기울어져 관측된다.

 

                                         

 

  아인슈타인은 1915년 일반 상대성 이론을 발표했다. 이에 따르면 태양같은 거대한 천체(天體)는 공간과

시간까지 휘어지게 할 정도로 강력한 중력을 일으키지만 이를 실험으로 확인할 방법은 없었다.

아인슈타인의 일반상대선이론은 1919년 개기일식 중 별빛이 태양을 지나면서 구부러지는 현상이 발견되

며

검증되기 시작했다. 일반상대성이론은 가속에 의한 영향은 중력과 동등하며, 일정한 가속도를 가진 관측자에게도 물리법칙이

변하지 않는다는 상대성원리에 기반한다.
일반상대성원리에서 시공간은 중력에 의해 변화하며, 중력이 강한 곳의 시간은 중력이 약한 곳에 있는 시간보다 느리다. 따라서 강한 중력장 내에 있는 원자에서 방출된 빛의 진동수는 약한 중력장 내에서의 같은 아인슈타인은 중력이란 존재하지 않으며, 단지 질량의 존재로 주위의 시공간이 곡률을 이룬다고 주장했다. 이는 시공간의 곡률로 설명된다. 

 

이들 아인슈타인의 예측은 지금까지 몇 번의 관측 실험을 거쳐 검증되어 그때마다 아인슈타인의 일반 상대성

이론의 정확함을 입증하고 있고, 그 최초의 역사적인 순간은 1919년 5월 29일의 개기일식 때였다.

 

영국의 천문학자 `에딩턴`이 통솔하는 관측대는 두 그룹으로 나누어 아프리카와 남미로 출발했다. 그가 향한

곳은 서아프리카 스페인령 적도 기니아 만에 있는 프린스페 섬이었다. 한편, 크로메린이 이끄는 부대는 북브라질의

스브랄로 향했다.

 

아인슈타인의 예측대로라면 태양의 옆을 통과하는 빛은 원래 직진하는 방향으로부터 각도가 약 1.75도 휘어진다.

그러나 태양은 매우 밝아서 보통은 태양 쪽에 있는 별을 관측한다는게 불가능하다. 하지만 달이 태양을 가려주는

개기일식 때는 가능하다. 그러나 그것만으로는 부족해서 태양의 옆을 통과하지 않을 때와 비교하지 않으면 얼만큼

휘었는지 알 수 없다. 그래서 개기일식의 반년 전 또는 반년 후에 같은 별이 태양과 반대 방향에 있을 때를 비교

관측해야 정확한 결과를 얻을 수 있다.

 

4개월 전 옥스퍼드에서 태양 근처에 보이는 별의 위치를 정확히 측정해둔 에딩턴 경은 이날 프린시페섬에서 일식이

일어나는 동안 태양의 중력에 의해 그 별의 위치가 달라져 있음을 확인했다. 태양에 의해 우리 주변의 우주공간이

휘어졌음을 직접 확인한 것이다.

 

관측결과는 에딩턴의 프린스페 섬보다 크로메린의 스브랄이 더욱 좋았다. 촬영된 19장 모두가 훌륭한 자료가 되었다.

프린스페에서 1.61초의 각이 나왔고, 스브랄에서 1.98초의 각이 나왔는데 중간값으로 오차를 감안하면 정확한

값으로 판정되었다.

아인슈타인은 일식이 일어나면 태양 둘레를 지나는 빛이 1.745초만큼 휜다고 예언했다. 이러한 예언을 확인하기 위해

에딩턴은 1919년 일식이 일어나는 아프리카로 조사단을 파견했다.

그리고 5월 29일 일식에 의해 나타난 별의 사진을 찍어 반년 전의 위치와 비교했다. 그 결과 태양에 가까운 별일수록

빛이 많이 휜다는 사실과 아인슈타인의 계산이 정확했음을 알아냈다.

     

      

 

左)별빛이 태양을 지나며 1,75초 휜다는 사진右)에딩턴의 일식관측의 중력렌즈현상

 

  예측과 관측 결과는 서로 일치했다. 에딩턴은 1919년 11월 16일에 개최된 영국 왕립학회와 천문학회의

합동 회의에도 이 사진들이 증거로 제출하였다. 다음날 타임지는 "과학의 혁명-우주에 관한 새로운 이론-

뉴톤의 이론은 무너졌다"란 기사를 내 본냈고, 몇일 후에는 뉴욕 타임지는" 하늘에서 빛이 휘어진다.-

아인슈타인의 승리란 기사를 실었다.

이것은 아인슈타인의 새로운 이론과 새 시대가 시작되었슴을 알리는 것이었다.

 

그 이후의 개기일식 때는 1919년의 관측이 정확한지 확인하기 위한 관측이 광범위하게 이루어졌다.

최근에도 미국 텍사스 대학이 일식 관측단을 파견했는데 정밀도가 더욱 높아진 상태에서 같은 결론을 도출했다.

아인슈타인 박사는 자신의 이론이 수성의 근일점을 관측한 결과 정확하게 맞아 떨어짐이 증명되자 그 순간을

"가슴이 팡 뚫리는 기분이었다"라고 회고했다.

근일점에 대한 이해는 다음으로 미루고....

 

                               

                  <일반상대성이론 확인 관측 결과를 보도한 1919년 11월 22일 영국 신문>

 

 

  빛의 휘어짐은 1919년 중력의 본질을 밝히는 데 이용됐지만 '중력렌즈'로 알려진 이 효과는 지금은 우주를

연구하는 가장 강력한 도구 중 하나가 됐다. 중력렌즈는 그 규모가 어마어마하게 크다는 것을 제외하면 빛을

모으고 확대하는 일반 유리렌즈와 똑같은 방식으로 작동하며 과학자들은 이를 이용해 너무 멀어 직접 관측할

수 있는 외계행성 같은 천체를 연구하고 있다.

 

  위의 중력렌즈의 효과를 살펴보았다.지금껏 아인슈타인의 상대성원리를 태양계 안에서만 실험하였지만 이번 백색왜성이 그 동반성을 통과할때 빛의 굴절의 사진은 아인슈타인의 상대성원리를 우주에서 찾은 실례라 하겠다.

 

  아인슈타인은 100년전 원자란 단어도 생소할때 이 상대성이론을  정립하고 정확한 값까지 도출해 냈다. 그것이 지금의 과학의 토대를 이루어 우리 인간으로선 우주에 단 한마디인 아인슈타인의 일반 상대성이론을 이제 태양계를 벗어난 저 먼 우주의 지평에서 증명하는 것이다.

 

우리가 경험할 수 있는 가장 아름다운 것은 신비함이다. 신비함이야말로  모든 진실한 예술과 과학의 근원이다. 
                                        - 알베르트 아인슈타인

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