디스코볼 위성, 아인슈타인 이론을 가장 정밀하게 흔들어보다

알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 지구처럼 회전하는 질량이 시공간을 끌고 간다고 예측한다. 이를 프레임 드래깅(frame dragging) 또는 렌스-티링 효과(Lense-Thirring effect)라고 부른다. 우리의 창백한 푸른 점 주변에서 이를 측정하는 것은 까다로웠다. 지구는 전형적인 블랙홀보다 수백만 배 가벼우며 느긋한 속도로 자전하기 때문이다. 그러나 우한 물리수학연구소의 이냐치오 치우폴리니가 이끄는 팀은 이제 겨우 0.2%의 불확실성으로 그 효과를 측정했다. 골프공과 디스코볼을 합쳐놓은 듯한 위성 덕분이다.

이탈리아 우주국이 제작한 위성 LARES-2(레이저 상대성 위성 2호)는 인코넬 718 합금으로 된 단단한 구체로, 303개의 역반사경으로 덮여 있다. 추진기, 태양 전지판, 전자 장치가 없다. 그냥 질량 덩어리다. 무게 294.8kg, 지름 40cm가 조금 넘으며, 중간 지구 궤도에서 가장 낮은 면적 대 질량비를 자랑하여 광자 압력 같은 비중력 힘을 최소화한다. 2022년 7월 발사되어 약 12,265km 고도에 있다.

팀은 지상 기반 레이저를 LARES-2에 쏘았고, 역반사경이 빛을 바로 반사했다. 2022년 7월부터 2025년 6월까지 약 20만 회의 관측으로 위치를 1mm 이내로 정확히 파악했다. 그러나 지구의 적도 팽대는 프레임 드래깅을 압도하는 뉴턴 힘을 만든다. 치우폴리니의 해결책: 보조 궤도에 있는 두 개의 위성(LARES-2와 1976년 발사된 사촌 LAGEOS)을 사용하여 궤도 경사각의 합이 180.01도가 되도록 했다. 뉴턴 섭동은 상쇄되고 상대론적 신호는 합쳐진다.

그럼에도 달과 태양의 중력 교란인 K1 조석(lunisolar tide)이 정확성을 위협했다. 팀은 1,050일의 완전한 세차 주기 동안 데이터를 수집하여 조석을 평균화했다. 그 조석과 6개의 더 작은 조석 성분을 제거한 후, 연간 61.3밀리초각의 깔끔한 드리프트를 발견했다. 이는 시공간 뒤틀림의 신호였다. 그 값은 아인슈타인의 예측과 일치했으며 오차 범위는 1~2/1000이었다.

이 측정은 또한 다른 프레임 드래깅을 예측하는 양자 중력 대안인 체른-사이먼 이론을 시험했다. 완전히 배제하지는 못했지만 그 범위를 크게 좁혔다. 보너스: 실험은 K1 조석의 강도를 정밀하게 측정하여 지진 연구에 도움이 될 수 있다. 그리고 LARES-2는 수세기 동안 데이터를 계속 제공할 것이다. 우주에서 디스코볼이 '장기적인 약속'을 의미하는 것처럼.