중력적색편이 (Gravitational Redshift)
쉽게 풀면
무거운 천체 근처에서 나온 빛이 그 중력을 빠져나오면서 힘을 조금씩 잃어 파장이 길어지는 현상이다.
왜 중요한가
중력 적색편이는 일반상대성이론의 고전적 검증 항목이자 백색왜성과 중성자별의 질량 대 반지름 비를 재는 직접적 수단입니다. 중성자별 표면에서 나오는 스펙트럼선의 편이는 상태방정식을 제약하고, 우리 은하 중심 블랙홀에 가까이 지난 별 S2의 스펙트럼에서 이 효과가 검출되어 강한 장 검증이 되었습니다. GPS 위성 시계의 보정에도 같은 효과가 들어갑니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
파운드와 렙카는 지구 중력장 내에서도 감마선 광자의 진동수 변화(중력 적색편이)를 정밀하게 측정하여 일반상대성이론의 예측을 실험실 규모에서 검증했다.
이 문장은 개별 별의 강한 장 검증이 아니라 은하단이라는 약한 장 환경에서의 통계적 검증을 보여 줍니다.
조금 더 깊게 보면
이 편이는 운동과 무관하므로 도플러 편이와 분리해야 하며, 백색왜성의 경우 초속 수십 킬로미터 규모라 시선속도 측정을 오염시키는 계통 효과로 먼저 등장합니다. 우주론적 적색편이는 중력 적색편이가 아니라 팽창에 의한 것이라, 둘을 같은 것으로 설명하는 것은 오해입니다. 은하단 중심에서 나오는 빛이 겪는 편이는 초속 수 킬로미터 수준으로 작지만 통계적으로 검출되어 중력 이론 시험에 쓰입니다. 이 효과의 크기는 천체 표면에서의 탈출 속도에 대응하는 양으로 근사되며, 백색왜성은 초속 수십 킬로미터, 중성자별 표면은 초속 수만 킬로미터에 해당하는 편이를 만든다. 중력에 의한 편이는 광자의 진행 방향이 아니라 방출 지점과 관측 지점의 퍼텐셜 차이로 정해지므로, 이심 궤도를 도는 광원은 근점 부근에서 적색편이가 커지며, 2018년 GRAVITY 관측은 우리은하 중심 블랙홀을 도는 S2 별에서 이 효과를 검출했다.
주의할 점
중력적색편이는 백색왜성이나 중성자별처럼 표면 중력이 매우 강한 천체 근처에서 두드러지며, 도플러 적색편이나 우주론적 적색편이와 함께 총 관측된 적색편이에 기여할 수 있다.
적색편이만으로는 질량과 반지름을 각각 따로 구할 수 없고 그 비율만 알 수 있으므로, 절대 질량을 얻으려면 궤도 역학 같은 독립적인 정보가 추가로 필요하다.