중력이론 (Gravity Theory)
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​중력 이론은 자연계에 존재하는 4대 기본 상호작용 중 중력 상호작용을 기술하는 이론이다. 가장 잘 알려진 이론으로는 뉴턴 역학의 만유인력 법칙을 예로 들 수 있다. 1915년 아인슈타인이 발표한 일반 상대성 이론은 리만 기하학을 통해 중력을 시공간의 곡률로 기술한다. 물질의 에너지, 운동량 등이 시공간에 있으면, 이들에 의해서 시공간이 휘어짐이 발생하고 중력으로 나타나게 된다. 이러한 관계는 아인슈타인 방정식으로 기술된다. 또한 일반 상대성 이론은 만유인력 법칙을 포괄한다.

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우리 우주의 상당한 부분을 일반 상대성 이론으로 이해할 수 있지만, 밀집 천체의 구조, 우주의 진화, 중력의 양자화, 미지의 관측 가능성 등을 이해하기 위해서 일반 상대성 이론을 다양한 방향으로 수정해서 접근할 수 있다. 이러한 수정(modified) 중력이론 또한 일정한 극한을 통하면 일반 상대성 이론으로 환원될 수 있다.

 

중력이론은 물질에 의한 시공간의 구조 변화를 이해할 수 있어서, 시공간의 시간에 따른 변화인 우주의 진화와 물질에 의한 시공간의 극단적인 휘어짐인 블랙홀 등 밀집천체(compact object)의 성질을 기술할 수 있다. 참고 link 

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​블랙홀 (Black Hole)
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​아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한지 얼마지나지 않아 카를 슈바르츠실트가 아인슈타인 방정식에 구대칭을 가정해서 풀게 되는데, 이는 현재 슈바르츠실트(Schwarzschild) 블랙홀로 부르는 해(solution)이다. 슈바르츠실트 블랙홀은 빛을 포함한 물질이 탈출할 수 없는 한계면인 사건의 지평선(event horizon)과 크레치만 스칼라로 기술되는 곡률이 발산하는 특이점(singularity)으로 이루어져 있다. 
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블랙홀이 실제 존재할 수 있는지에 대한 다양한 연구와 논의가 있었고, 이후 로저 펜로즈 교수의 특이점 정리(1965년)를 통해 일반 상대성 이론에 의해서 블랙홀이 형성될 수 있음이 증명 되었다. 이에 대한 공로로 펜로즈 교수는 2020년 노벨물리학상을 수상하게 된다.

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슈바르츠실트 블랙홀에서 확장하여 각운동량이 있는, 자전하는 블랙홀은 커(Kerr) 블랙홀로 기술되고, 마찬가지로 아인슈타인 방정식을 만족한다. 커 블랙홀의 구조는 보다 복잡해서, 작용권(ergosphere), 사건의 지평선, 코시 지평선(Cauchy horizon), 특이점으로 구성되어 있다. 참고 link

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중력파 (Gravitational Wave)

 

전하를 띤 입자가 가속운동을 할 때, 전자기파가 발생되는 것처럼, 중력 또한 파동의 형태로 전파될 수 있다. 다만, 중력은 시공간의 휘어짐으로 나타나기 때문에, 이때 진동하는 것은 시공간이 된다. 중력파의 이론적인 존재와 천문학적인 간접적 증거는 일찍이 있었으나, 실제 직접적인 중력파의 예상되는 세기는 10의 –21제곱으로 측정하는 것은 기술적인 감도의 한계에 의해서 매우 어려운 일이었다. 따라서 이러한 중력파를 관측하기 위해서는 크게 두 가지가 충족되어야 할 것인데, 첫 번째는 충분히 큰 질량을 가진 천체가 지구에서 적당히 가까운 곳에서 충돌하면 발생하는 중력파의 세기가 커질 것이고, 두 번째는 중력파 측정기의 감도가 높아지면 된다. 질량이 큰 천체의 후보가 바로 블랙홀이고, 따라서 두 개의 블랙홀이 충돌할 때 발생하는 중력파가 관측될 가능성이 가장 높게 된다. 중력파의 관측은 미국이 7000억원이 넘는 비용을 투자해 건설한 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)에서 시도되었고, 꾸준한 측정 감도의 증가에 따라 중력파를 측정할 수 있게 된다.

 

첫 중력파는 2015년 9월 14일에 측정되었는데, 이 중력파의 발생원은 태양 질량의 36배, 29배인 두 블랙홀의 충돌이었다. 이때 태양 질량의 62배인 블랙홀이 형성되었고, 태양 질량의 약 3배에 해당하는 에너지가 중력파로 발산된 것으로 추정된다. 이후 현재까지 꾸준하게 중력파가 측정되고 있고 (생각보다 많은 블랙홀이 우주에 있다), 측정 기술의 발전에 따라 측정 횟수 또한 크게 증가 중에 있다. 이에 대한 공로로 2017년 노벨물리학상이 수여되었다.