아인슈타인의 일반상대성 이론에 대한 새로운 테스트에서 국제 천문학자 그룹은 이 이론이 외계의 거대한 3성(three-star) 시스템에서도 똑같이 적용된다는 사실을 증명했다.

아인슈타인의 이론에 따르면 피사의 사탑에서 대포알과 사과를 동시에 떨어뜨리면 땅에 동시에 착지하는 것과 같이 모든 물체는 질량이나 구성과 관계 없이 같은 방식으로 떨어진다. 이 원리는 수많은 상황에서 작동하지만, 일부 사람들은 극한적인 중력이 작용하는 곳에서는 상대성이론이 아닌 중력의 대체이론으로 설명할 수 있는 다른 환경이 있을 것이라고 가정해 왔다.

그러나 과학저널 ‘네이처’(Nature) 4일자에 발표된 이번 새로운 연구에서는 극한 중력계에서도 이 이론이 똑같이 적용된다는 사실이 확인됐다.

밀도 높은 중성자별과 백색왜성 시스템에서 테스트

논문 공저자인 캐나다 브리티시 컬럼비아대 잉그리드 스테어스(Ingrid Stairs) 물리 및 천문학과 교수는 “이 연구는 멀리 떨어져 있는 별들에 대한 일상적이면서 주의 깊은 관측을 통해 어떻게 물리학의 기본 이론 중 하나에 대한 정밀 테스트를 수행할 수 있는지를 보여준다”고 말했다.

연구팀이 관측한 PSR J0337+1715로 알려진 3성 시스템은 지구로부터 4200광년 떨어져 있으며, 두 개의 백색 왜성과 하나의 중성자별로 구성돼 있다. 백색 왜성은 매우 밀도가 높은 별로서 크기는 지구와 비슷하지만 질량은 거의 우리의 태양과 같다. 진화의 마지막 단계에서 초신성 폭발을 겪고 남겨진 중심핵인 중성자별들은 통상 백색 왜성보다 크기는 작으나 밀도는 높다.

이 별들은 초신성 폭발이 일어났을 때 붕괴된 별들의 핵으로 만들어졌고, 우주에서 가장 밀도가 높은 별들이다. 회전하는 많은 중성자별들은, 눈에 보이지는 않지만 주기적으로 빠른 전파나 방사선을 방출하는 펄서(pulsars)로서 우주 공간에 규칙적으로 등대 불빛과 같은 전자기 신호를 보낸다. 지구에서는 이 신호를 전파망원경으로 포착할 수 있다.

연구팀은 이 3성시스템을 발견한 뒤 2014년 ‘네이처’ 지에 이 사실을 보고하면서 이 시스템에서 아인슈타인의 이론을 테스트해 볼 수 있을 것이라고 기술한 바 있다. 이들 연구팀은 그 뒤 6년 동안에 걸쳐 네덜란드의 베스터보르크 합성 전파망원경과 웨스트 버지니아의 그린 뱅크 망원경, 푸에르토 리코 아레시보 관측소의 대형 전파망원경을 사용해 중성자별을 추적했다.

“상대성이론, 테스트할 때마다 결과 일치”

논문 제1저자로 암스테르담대와 네덜란드 전파천문연구소(ASTRON) 박사후 연구원인 안네 아쉬발드( Anne Archibald) 박사는 “우리는 관측을 시작한 이래 중성자별의 모든 펄스를 설명할 수 있고, 그 위치도 수백미터 이내로 정확히 집어낼 수 있다”며, “중성자별이 어디에 있었고 어디로 가고 있는지를 실제로 정확히 알 수 있다”고 설명했다.

3성시스템에서 중성자별은 한 백색왜성 주위를 1.6일 주기로 돌고 있고, 다른 백색 왜성은 이 두 쌍 주위를 327일 주기로 돌고 있다. 연구팀은 바깥 왜성의 여러 궤도를 따라 안쪽의 별들을 추적해, 안쪽 펄서와 왜성이 바깥 백색 왜성의 중력에 의해 서로 다르게 영향을 받는지 여부를 측정할 수 있었다. 시간이 지남에 따라 연구팀은 탐지될 만한 차이점이 거의 없다는 사실을 발견했다. 이것은 이 3성 모델에서 대체 중력이론이 존재할 여지가 없음을 말해주는 것이다.

논문 공저자인 니나 구신스카야(Nina Gusinskaia) 암스테르담대 박사과정생은 “만약 차이가 있다면 1백만분의3 이하일 것”이라며, “이제 중력 대체이론을 주장하는 사람들은 우리가 관측한 것과 중력 대체이론을 일치시키기 위한 운신의 폭이 더욱 좁아졌다”고 말했다.

스테어스 교수는 “지금까지 아인슈타인의 상대성이론을 테스트할 때마다 매번 그 결과는 일치되는 것으로 나타났다”며, “상대성 이론은 중력과 양자역학을 동일한 수학적 언어로 기술하는 방법을 이해하도록 하기 때문에, 우리는 계속 이 이론으로부터 출발점을 찾고 있다”고 밝혔다.