지구 중력을 빛으로?

중력이 빛으로 바뀔 수 있다는 놀라운 연구 결과가 나왔다.

보통 무에서 유를 창조하는 것은 불가능하다. 이를테면 질량이 없는 입자인 광자가 질량을 가진 다른 입자로 변할 수 없다. 하지만 우주가 탄생한 초기의 매우 극단적인 세계에서는 중력의 파동에서 빛이 발생했을 가능성이 있다는 연구 결과가 나왔다.

지금까지 알려진 중력의 성질과 움직임은 대부분 알베르트 아인슈타인이 세운 일반상대성이론을 통해 이해되고 있다. 중력이 만들어 내는 시공간 왜곡이 입자의 운동에 영향을 줄 수는 있지만, 중력 자체가 입자를 만들어 내는 것은 일반적으로 가정하지 않는다. 

그러나 중력은 중력자라고 불리는 보이지 않는 입자에 의해 전달되는 것으로 생각되며, 이 중력자가 다른 소립자처럼 행동하거나 다른 입자로 변화할 수도 있다는 이론도 있다.

 

캐나다 맥길대학 물리학 연구팀은 물리학 국제저널 암흑 우주물리학(Physics of the Dark Universe) 최신 호에 게재된 논문(Graviton to Photon Conversion via Parametric Resonance)에서 중력 자체가 다른 입자로 변할 수 있는지를 검증하기 위해 탄생한 지 얼마 되지 않은 극초기 우주로 눈을 돌렸다. 

이 시기의 젊은 우주는 아직 작고, 고온이며, 밀도가 매우 높아 모든 물질과 에너지가 상상할 수 없는 규모로 응축되어 있어 최신 기술로 구축된 입자 충돌형 가속기로도 재현할 수 없는 정도다.

이런 우주에서는 중력파가 지금보다 더 중요한 역할을 했다. 현재 우주에서 중력은 자연계를 지배하는 4가지 기본 힘 중 가장 약하기 때문에 행성이나 항성과 같은 큰 질량에서 발생하는 것이 아니라면 눈에 보일 만큼의 작용을 하지 않는다.

 

하지만 초기 극한 상태의 우주에서는 중력파가 더 강해 다른 모든 존재에 심각한 영향을 미쳤을 가능성이 있다고 한다. 이 초기 우주에서는 중력파가 서로 부딪히며 증폭되고, 결국 우주의 모든 존재가 중력파에 휘말려 공명 효과를 일으킨다. 또한 중력파가 펌프와 같은 역할을 하면서 물질을 밀집된 덩어리로 반복적으로 압축해 나갔다.

중력파는 현대에는 블랙홀의 충돌 등에서 관측되지만, 중력파는 시공간 파동이라는 성질을 가지고 있기 때문에 그 영향은 거대한 질량 간의 충돌과 같은 상호작용에 한정되지 않고 전자기장에도 영향을 미칠 수 있다. 

이에 연구팀은 "중력파의 공명에 의한 압축이 방사선을 극도로 높은 에너지 상태로 만들어 광자가 자연적으로 발생했을 것"이라고 생각했다. 이것이 중력이 빛을 만들어 내는 메커니즘이다.

계산에 따르면, 이 과정은 매우 비효율적이기 때문에 빠르게 팽창하는 초기 우주에서는 오래 지속될 수 없다. 하지만 초기 우주에 충분한 물질이 있었다면, 마치 공기나 물속을 지나가는 빛이 진공 상태보다 느리게 이동하는 것처럼 중력파가 더 오래 머무를 수 있어 광자를 대량으로 생성할 수 있는 가능성도 알 수 있었다.

초기 우주에 대한 연구는 아직 시작 단계에 불과해 충분히 이해되지 않고 있다. 하지만, 이번 연구를 통해 중력이 빛을 만들어 낼 수 있다는 새로운 이론이 나왔다. 이 작용으로 생성된 엄청난 양의 빛은 물질의 형성과 우주의 진화에도 영향을 미칠 것으로 보인다.

만약 이 놀라운 발견이 밝혀지면 초기 우주에 대한 이해에 새로운 혁명이 일어날 수 있을 것으로 기대된다.