유럽의 우주 임무
유럽에서 추진한 가장 야심차고 비용이 많이 드는 우주 임무 중 하나에 공식적인 초록불이 켜졌습니다.
레이저 간섭계 우주 안테나(Lisa)는 거대한 블랙홀이 충돌할 때 우주 시간의 구조에 생기는 파동을 감지하려고 시도할 것입니다.
이 중력파는 서로 떨어진 2.5백만 킬로미터(150만 마일) 거리에서 레이저를 발사하는 세 우주선에 의해 감지될 것입니다.
비용은 수십억 달러에 이를 것입니다.
과학자들은 중력파 연구가 우주의 작동 원리와 역사에 대한 중요한 질문에 답하는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.
유럽 우주국(Esa) 관계자들은 예산을 17억 5천만 유로(15억 파운드; 19억 달러)로 예상하며, 독일, 프랑스, 이탈리아, 영국, 네덜란드, 스위스를 포함한 회원국들로부터 추가 기여금이 제공될 것입니다. 미국 우주국(Nasa)도 주요 파트너가 될 것입니다.
이 금액은 상당하지만, 생애 비용을 대표하며, 임무의 복잡성 때문에 이는 2035년 이전에는 발사되지 않을 것입니다.
Esa의 과학 디렉터인 Carole Mundell 교수는 이 비용을 유럽 시민 각자에게 한 잔의 커피 값과 같다고 비교하며, 이것이 돈에 대한 훌륭한 가치를 대표한다는 데 동의하기를 바랐습니다.
그녀는 BBC 뉴스에 "우리는 물리학의 큰 미스터리 중 일부를 해결하려고 시도하고 있습니다,"라고 말했습니다.
"우리는 아인슈타인의 일반 상대성 이론(중력 이론)을 넘어서 어떻게 갈 것인가? 우리는 우주 시간의 본성을 어떻게 탐구할 것인가? 우리는 우주에서 가장 폭력적인 충돌, 즉 초대형 블랙홀 간의 충돌을 어떻게 이해할 것인가? 그래서, 거의 과학 소설과 과학 공학을 결합하고, 우리는 그것을 과학 현실로 만듭니다."
중력파는 아인슈타인의 방정식의 예측입니다.
그것들은 질량이 가속할 때 빛의 속도로 우주를 가로지르며 퍼져나가는 에너지의 파동입니다.
파동은 처음으로 2015년 지구 실험실에서 감지되었습니다. 그것들은 태양의 몇 배에 달하는 질량을 가진 블랙홀들이 합쳐지면서 생겨났습니다.
우주로 탐지기를 가지고 가는 것은 연구자들이 훨씬 긴 파장 현상을 감지할 수 있게 해줄 것입니다.
"모든 것은 크기와 관련이 있습니다. Lisa로 우리가 말하는 것은 태양의 질량의 수백만 배에 달하는 블랙홀들이 합쳐지는 것을 감지하는 것입니다,"라고 영국 글래스고 대학교의 Harry Ward 교수가 말했습니다.
과학자들은 이러한 초대형 물체를 연구하는 것에 특히 관심이 많습니다. 왜냐하면 그들의 생성과 진화는 그것들이 있는 은하들의 그것과 불가분의 관계에 있는 것으로 보이기 때문입니다. 그리고 그들의 성질을 탐구하는 것은 따라서 우리가 하늘에서 보는 위대한 구조들이 우주 역사를 통해 어떻게 형성되었는지에 대한 세부사항을 밝혀낼 것입니다.
지구에서 중력파는 4km 길이의 L자 형태 터널을 따라 발사된 레이저 빛의 경로에 유발된 변동으로부터 감지됩니다.
Lisa는 같은 원리를 사용하지만 그 빔을 훨씬 더 큰 거리에서, 그리고 정삼각형으로 배열된 세 개의 동일한 우주선 사이에서 발사할 것입니다.
놀라운 측정 정밀도가 필요한데, 이는 파동이 거대한 출처에서 오긴 하지만 그 신호가 아주 미미하기 때문입니다 - 단지 원자의 너비의 일부분입니다.
과학자들은 피코미터에 대해 이야기하는데, 이는 1미터의 1조 분의 1입니다.
"규모를 키워보면, 이것은 알파 센타우리까지의 거리 변화를 종이 한 장의 두께 정도로 측정하는 것과 동등합니다,"라고 영국 천문기술센터(UK ATC)의 Ewan Fitzsimons 박사가 말했습니다. 알파 센타우리는 지구에서 가장 가까운 별계로, 4광년 이상 떨어져 있습니다.
Lisa는 수십 년 동안 개발 중이었으며, 특히 미국의 참여와 관련하여 여러 번의 상승과 하강을 겪었습니다. 그들은 들어왔다 나갔다 했지만, 이제는 완전히 다시 합류하여 중요한 기술들, 레이저를 포함하여 가져올 것입니다.
유럽 우주국(Esa)의 과학 프로그램 위원회(SPC)는 2017년에 Lisa를 후보 임무로 선정했습니다. 이후 에이전시의 기술 스태프는 유럽 산업계와 학계의 지원을 받아 임무가 실제로 실행 가능한지에 대해 연구해 왔습니다. 긍정적인 평가가 이제 Esa 대표단으로 하여금 프로젝트를 공식적으로 "채택"할 수 있게 했습니다.
영국 우주국은 His Majesty's Treasury에 사업 사례를 제출해야 한다는 예약을 가지고 있지만 그 지원을 제공했습니다. 이는 곧 제출될 예정이며, 결정은 연말 전에 기대되며, 이후 Esa는 유럽 전역에 주요 산업 계약을 체결할 것을 모색할 것입니다.
영국은 우주선에서 소위 광학 벤치를 제공할 예정입니다. 이것들은 레이저 광선의 행동을 정확하게 모니터링할 수 있도록 하는 거울 시스템입니다. 주요 데이터 분배 센터 중 하나도 영국에 설치될 예정입니다.
목요일의 SPC 회의는 또한 Envision이라고 불리는 금성 임무 개념을 채택했습니다.
아인슈타인 방정식
아인슈타인의 방정식, 더 정확히 말하자면 일반 상대성 이론의 필드 방정식은 중력의 기본적인 이론을 설명합니다. 이 방정식은 1915년에 알버트 아인슈타인에 의해 제안되었습니다. 일반 상대성 이론은 중력을 공간과 시간의 곡률로 해석합니다. 대량의 물체가 공간-시간을 왜곡시키고, 이 왜곡된 공간-시간을 따라 다른 물체가 움직이는 방식으로 중력 효과가 나타납니다.
아인슈타인의 필드 방정식은 매우 복잡한 수학적 형태를 가지고 있으며, 일반적으로 다음과 같은 형태로 표현됩니다:
첫 번째 변수는 아인슈타인 텐서로, 공간-시간의 곡률을 나타내고 다음과 같은 이미지로 나타낸다.
두 번째 변수는 우주 상수로, 우주의 가속 팽창을 설명하는 데 사용됩니다. 다음과 같은 이미지 처럼 표현됩니다.
다음 변수는 메트릭 텐서로, 공간-시간의 기하학적 구조를 설명합니다. 다음 이미지와 같이 표현됩니다.
다음 변수는 에너지-운동량 텐서로, 물질과 에너지의 분포를 나타냅니다. 다음 이미지의 모습으로 표현됩니다.
G는 중력상수이며, c는 빛의 속도입니다.
이 방정식은 우주의 대규모 구조와 블랙홀, 중력파와 같은 현상을 이해하는 데 필수적입니다. 아인슈타인의 방정식은 실제 관측 결과와 일치하는 예측을 제공함으로써 현대 물리학에서 가장 성공적인 이론 중 하나로 간주됩니다.
유럽우주국(ESA)
유럽 우주국(European Space Agency, ESA)은 유럽의 우주 탐사와 기술 개발을 담당하는 주요 기구입니다. 1975년에 설립되어 유럽 국가들의 우주 탐사 노력을 조정하고 촉진하는 역할을 합니다. ESA는 회원국들의 자원을 통합하여 우주 과학, 지구 관측, 인간 우주비행, 우주 기술 개발, 그리고 우주 탐사 등 다양한 분야에서 프로젝트를 수행하고 있습니다.
ESA의 주요 목적은 유럽의 과학 기술 능력을 향상시키고, 우주를 평화적 목적으로 탐사하며, 유럽인들에게 우주 과학과 기술의 혜택을 제공하는 것입니다. ESA는 다양한 우주 임무를 통해 중요한 과학적 발견을 이루었으며, 국제 우주 공동체와의 협력을 통해 여러 프로젝트에 참여하고 있습니다.
ESA의 본부는 프랑스 파리에 위치해 있으며, 여러 회원국에 운영 센터와 연구 시설을 두고 있습니다. ESA의 회원국은 주로 유럽 국가들이지만, 캐나다와 같은 협력 국가도 있습니다. ESA는 유럽연합(EU)의 기구는 아니지만, EU와 긴밀히 협력하여 유럽의 우주 정책과 프로그램을 개발합니다.
ESA는 인공위성 발사, 지구 관측, 우주 과학 연구, 인간 우주비행, 우주 기술 개발, 태양계 탐사 등 다양한 분야에서 활발히 활동하고 있습니다. 대표적인 임무로는 화성 탐사 로버, 국제우주정거장(ISS)으로의 유럽 우주인 파견, 지구 관측 위성 발사, 로제타 탐사선을 통한 혜성 탐사 등이 있습니다. ESA는 이러한 프로젝트를 통해 우주 과학의 발전에 기여하고, 유럽의 우주 산업을 지원하며, 전 세계적인 우주 탐사 및 연구에 중요한 역할을 하고 있습니다.
블랙홀
블랙홀은 극도로 강력한 중력으로 인해 아무것도, 심지어 빛조차도 탈출할 수 없는 우주의 영역입니다. 블랙홀의 중심에는 '특이점'이라 불리는 지점이 있는데, 여기서는 중력이 무한대로 증가하며, 시공간의 곡률도 무한대가 됩니다. 블랙홀의 경계를 '사건의 지평선'이라고 하며, 이 경계를 넘어서면 아무것도 블랙홀 밖으로 탈출할 수 없습니다.
블랙홀은 주로 두 가지 방식으로 형성됩니다. 첫 번째는 대형 별이 자신의 핵연료를 모두 소진하고 중력 붕괴를 겪어 매우 조밀한 천체로 붕괴될 때 생깁니다. 이러한 블랙홀을 '성질량 블랙홀'이라고 합니다. 두 번째 형성 방식은 여러 별이 충돌하거나 합쳐져 거대한 질량을 가진 블랙홀, 즉 '초대형 블랙홀'을 형성할 때입니다. 이러한 초대형 블랙홀은 주로 은하 중심에 위치하며, 은하의 진화와 밀접한 관련이 있습니다.
블랙홀은 직접 관측할 수 없지만, 그 주변에서 일어나는 현상을 통해 간접적으로 존재를 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 블랙홀 주변의 물질이 블랙홀로 빨려 들어가면서 가열되고, 이 과정에서 발생하는 강력한 X선이나 감마선과 같은 전자기파를 관측함으로써 블랙홀의 존재를 감지할 수 있습니다. 또한 최근에는 중력파 관측을 통해 블랙홀의 충돌과 합병 과정을 직접적으로 탐지하는 데 성공했습니다.
블랙홀 연구는 우주의 극한 상태를 이해하고, 중력의 근본적인 성질과 우주의 기원 및 진화에 대한 중요한 단서를 제공합니다. Albert Einstein의 일반상대성이론에 의해 예측되었으며, 현대 물리학과 천문학에서 중요한 연구 주제 중 하나입니다.