중력이 빛으로 변할 수 있다는 놀라운 연구결과

일반적으로 무로부터 유를 생성하는 것은 불가능한데, 예를 들어 질량을 갖지 않는 입자인 광자가 질량을 갖는 다른 입자로 변화할 수 없습니다. 그러나 우주가 탄생한 초기의 매우 극단적인 세계에서는 중력의 파동으로부터 빛이 발생했을 가능성이 있다는 연구결과가 보고되었습니다.

Graviton to photon conversion via parametric resonance - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.dark.2023.101202

Gravity can transform into light, mind-bending physics paper suggests | Live Science
https://www.livescience.com/physics-mathematics/particle-physics/astronomers-found-a-way-for-gravity-to-create-light-new-study-suggests

Gravity can transform into light, mind-bending physics paper suggests

지금까지 알려진 중력의 성격과 운동의 대부분은 알베르트 아인슈타인이 세운 일반상대성이론을 통해 이해되고 있습니다. 그 중에는 중력이 발생하는 시공의 왜곡이 입자의 운동에 영향을 미치는 경우에도 중력 자체가 입자를 생성하는 것은 일반적으로 상정되지 않습니다. 그러나 중력은 중력자라는 눈에 보이지 않는 입자에 의해 전달되고 있다고 생각되고 있으며 이 중력자가 다른 소립자처럼 행동하거나 다른 입자로 변화하는 경우도 있다는 견해도 있습니다.

2023년 3월 28일 프리프린트 서버인 arXiv에 공개한 논문을 살펴보면 연구자들은 중력 그 자체가 다른 입자로 변화하는지를 검증하기 위해 우주탄생 직전인 극초기 우주에 주목했습니다. 이 시기의 우주는 아직 작고 고온이며 밀도도 매우 높기 때문에 모든 물질과 에너지가 엄청난 규모로 응축되고 있으며 그 상태는 최신 기술로 건조된 입자충돌형 가속기에서도 재현할 수 없을 정도로 추정됩니다.

이러한 우주에서는 중력파가 지금보다 더 중요한 역할을 하고 있었다고 봅니다. 현재의 우주에서 중력은 자연계를 지배하는 4가지 기본적인 힘 중에서 가장 약하기 때문에 행성이나 항성과 같은 큰 질량에서 발생하는 것이 아니라면 눈에 보이는 작용을 미치지 않습니다.

그러나 초기의 극단적인 상태의 우주에서는 중력파는 더욱 강하고 다른 모든 존재에 중대한 영향을 주고 있었을 가능성이 있다고 합니다. 이 초기 우주에서는 중력의 파동이 서로 부딪쳐 증폭되어 가며 이윽고 우주의 모든 존재가 파동에 이끌려 공명효과를 일으킵니다. 그리고 중력파가 펌프와 같은 역할을 하고 물질을 긴밀한 덩어리로 반복적으로 압축해 갔습니다.

중력파는 현대에서는 블랙홀의 충돌 등으로 관측되지만 중력파에는 시공의 파문으로서의 성질이 있기 때문에 그 영향은 거대한 질량끼리의 충돌이라는 상호작용에 한정되지 않고 전자기장에도 영향을 줄 수 있습니다. 이 이해를 바탕으로 연구자들은 중력파의 공명에 의한 압축이 방사선을 극단적인 고에너지 상태로 만들어 광자가 자연발생했을 것이라는 중력이 빛을 낳는 메커니즘을 떠올렸습니다.

계산에 의하면 이 프로세스는 매우 비효율적이기 때문에 급속하게 팽창하는 초기의 우주에서는 오래 지속되지 않는다고 합니다. 그러나 초기 우주에 충분한 물질이 있었다면 마치 공기 중이나 수중을 진행하는 빛이 진공보다 느려지는 것처럼 중력파가 길게 체류할 수 있게 되어 광자를 대량으로 발생시킬 가능성도 있습니다.

초기 우주에 관한 연구는 걸음마 단계이지만 이번 연구로 중력이 빛을 낳을 가능성이라는 새로운 지견이 나타났습니다. 이 작용에 의해 만들어진 방대한 빛은 물질의 형성과 우주의 진화에도 영향을 미친다고 생각되기 때문에 초기 우주에 대한 이해에 새로운 혁명이 일어날 수 있을 것으로 기대됩니다.