지구 중력을 직접 눈으로 보고 싶으세요? [이광식의 천문학+]

지구 중력을 눈으로 직접 확인하고 싶으신가요? 그렇다면 ‘포츠담 중력 감자’를 이용하면 된다. 17세기 영국의 아이작 뉴턴이 우주 삼라만상을 지배하고 있는 만유인력, 곧 중력의 존재를 발견하여 중력 방정식을 완성한 이래, 지구상에 있는 모든 존재가 지구 중력의 영항권 안에 있다는 사실이 알려졌지만, 중력의 진정한 정체는 아직까지 완전히 밝혀지지 않은 자연계 최대의 미스터리 중 하나다.

우리가 공중에 떠다니지 않고 땅에 발을 붙이고 사는 것도 다 지구 중력 덕분이지만, 지구에서도 중력이 강한 곳이 있는가 하면, 상대적으로 약한 곳도 있다. 그러나 아직까지 중력의 정체는 완전히 밝혀지진 않았다. 아인슈타인의 일반 상대성 원리에 의하면, 중력이란 실재하는 힘이 아니라, 질량에 의해 휘어진 시공간의 곡률이다. 물질은 공간을 휘게 하고 공간은 그 휘어진 곡률에 따라 물질을 움직인다.

중력을 전하는 ‘중력파’ 가설이 아인슈타인에 의해 제안되었는데, 마침내 일반상대성 이론이 나온 지 1세기가 지난 2016년 2월 12일, 지구로부터 13억 광년 떨어져 있는 2개의 블랙홀이 결합하면서 발생한 중력파가 라이고(LIGO·레이저 간섭계 중력파 관측소)에 의해 발견되었다.

위의 ‘포츠담 중력 감자’는 고감도 탐지기를 탑재한 인공위성 CHAMP(Challenging Mini-satellite Payload)와 GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)가 지구 궤도를 돌면서 작성한 지구 중력장의 크기를 지구 표면의 높이로 시각화한 3차원 지구 모형이다. 결과물로 나온 것이 마치 감자 같은 모양인데다, 주로 독일 포츠담에서 연구가 진행된 탓으로 약간 코믹한 이름을 얻게 된 것이다. ‘지구 중력 지도’라고도 한다.

CHAMP는 2000년 7월 발사된 독일의 과학위성으로, 지구 중력장과 자기장 데이터를 10초에 한 번 꼴로 측정하여 이를 전송했다. 이후 독일항공우주센터(DLR)와 미 항공우주국(NASA)의 합동 프로젝트로 2002년 3월 GRACE 위성이 발사되었다. GRACE 위성은 같은 높이에서 지구를 공전하는 2개의 위성으로, 두 개의 위성이 약 220km의 간격을 유지하며 궤도 운동을 한다. 그런데 높은 산이나 계곡, 바다와 육지의 경계 등 지구 내부의 밀도 변화에 따라 중력의 변화가 나타나는 곳을 지나게 되면 두 위성 사이의 거리에는 미세한 변화가 생기는데, 이 거리를 측정하여 지구의 중력 변화를 계산한 것이다.

CHAMP와 GRACE의 관측자료를 토대로 작성된 포츠담 중력 감자는 2014년 12월 15일 NASA의 ‘오늘의 천체사진(APOD)’에 소개되면서 큰 주목을 받았다. 이 지도에서 높게 튀어나온 부분은 다른 곳보다 중력이 강하다는 뜻으로 붉은색으로 칠해져 있다. 인도양 부근처럼 움푹 들어간 곳은 중력이 약한 지역이며 푸른색으로 표시되어 있다. 울퉁불퉁한 모습을 한 이유는 중력을 유발하는 지구의 밀도 분포 또는 지형 분포 등이 불규칙하기 때문이다.

이 지도를 장기간에 걸쳐 연구하면 지구 표면에서 나타나는 질량 이동 양상을 알 수 있는데, 이를 통해 빙하가 녹는 현상, 해류의 변화 등을 알아낼 수 있다. 포츠담 중력 감자는 평균 해수면을 기준으로 한 등포텐셜면인 지오이드(Geoid)에 해당한다. 위의 중력 지도는 2005년에 작성된 지도에다 2011년에 보다 정밀한 중력 데이터를 보태어 완성된 것이다.