배경 '흠'이 우주에 퍼져 있습니다. 과학자들은 그 근원을 찾기 위해 경주하고 있습니다

Aug 04, 2023

천문학자들은 올해 초 발표된 흥미롭고 새로운 형태의 중력파의 기원을 정확히 찾아내려고 노력하고 있습니다.

6월, 저주파 중력파, 즉 우주에 퍼져 있는 시공간 파문의 주변 웅웅거림이 발견되면서 천문학의 새로운 시대가 시작되었습니다. 이 발표는 전 세계 연구자들의 대규모 협력을 통해 나왔습니다. 미국, 유럽, 인도, 호주 및 중국의 그룹은 각각 유사한 실험을 진행하고 있으며 결과를 개선하기 위해 데이터를 함께 모으고 있습니다. 이전에 볼 수 없었던 중력파에 대한 증거를 이제 확고히 확보한 모든 서로 다른 팀은 이제 더 큰 목표, 즉 이 배경 소음이 실제로 어디에서 오는지 정확히 이해하기 위해 열성적으로 더 많은 데이터를 수집하고 있습니다. 많은 전문가들은 윙윙거리는 소리가 점진적인 병합 과정에서 나선형으로 함께 나선형으로 움직이는 한 쌍의 초대질량 블랙홀에서 주로 발생한다고 의심합니다. 하지만 대신 스릴 넘치는 새로운 물리학 분야를 대표할 수 있는 낯선 소스에서 발생할 수도 있습니다. 미국이 주도하는 NANOGrav의 일부인 Yale University의 Chiara Mingarelli는 “우리는 이 분야의 시작 단계에 있습니다.”라고 말합니다.

이번 발표는 NANOGrav와 기타 소위 펄서 타이밍 어레이(PTA)에서 6월 28일 발표되었습니다. PTA는 전파 망원경을 사용하여 초신성 이후 남겨진 빠르게 회전하는 중성자별인 펄서에서 나오는 일반 섬광의 정확한 도착 시간을 추적합니다. 수십 개의 펄서를 사용하고 수십 년 단위로 펄스의 도착 시간을 나노초 단위의 정밀도로 모니터링하여 태양계를 통과하는 배경 중력파를 식별할 수 있습니다. 그러한 파도는 우리 행성과 목표 펄서 사이의 중간 공간을 약간 축소하거나 확장하여 펄스 도착 시간에 눈에 띄는 오프셋을 만듭니다. 놀라운 결과는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)가 항성질량 블랙홀과 중성자별의 충돌로 생성된 중력파를 처음 감지한 2015년에 시작된 초기 발견에 따른 것입니다. LIGO, 유럽의 Virgo 및 유사한 시설은 오늘날에도 이러한 고주파 중력파를 계속해서 찾고 있습니다.

저주파 중력파의 배경 소음에 대한 증거는 여러 팀에서 수년에 걸쳐 관찰한 총 115개의 펄서에서 비롯됩니다. 이제 모든 펄서 타이밍 데이터를 IPTA(International Pulsar Timing Array)의 일부로 단일 데이터 세트로 결합하려는 노력이 진행 중입니다. 이를 통해 데이터 세트의 전반적인 감도가 향상됩니다. “우리는 이 문제를 함께 해결하고 있습니다.”라고 Mingarelli는 말합니다. "우리는 데이터 결합을 시작하기 위해 [작업중인] 각 PTA의 대표자를 한 명씩 두고 있습니다." 이러한 집단적 노력은 이미 2년 동안 진행되어 왔으며, 2023년 말이나 2024년 언젠가 더 확실한 결과가 나올 것으로 예상됩니다. "이것은 지금까지 통합된 것 중 가장 민감한 펄서 타이밍 배열 데이터 세트가 될 것입니다." Vanderbilt University의 Nihan Pol은 말합니다.

IPTA의 노력에 참여하는 데 중국이 양면적으로 참여하는 것은 문제를 다소 복잡하게 만듭니다. 버지니아주 국립전파천문대(NRAO)의 스콧 랜섬(Scott Ransom)은 “그들은 이번 데이터 공개 계약의 일부가 아니다”라고 말했다. “앞으로 몇 달 안에 그들은 나머지 커뮤니티와 좋은 관계를 맺고 싶다고 말할 수도 있고, 계속해서 독자적으로 활동할 수도 있습니다. 우리는 단지 모른다.” 중국의 Pulsar Timing Array 팀은 중국 남서부 지역에 있는 거대한 500미터 조리개 구형 전파 망원경(FAST)에 자유롭게 접근할 수 있기 때문에 부러워할 만한 위치에 있습니다. FAST는 현재 존재하는 어떤 전파 망원경보다 훨씬 더 민감하며 2020년에 붕괴된 푸에르토리코의 Arecibo 망원경보다 두 배 더 강력합니다. “[FAST]는 전 세계 거의 모든 [전파] 망원경보다 훨씬 뛰어납니다.” Ransom 말한다. "펄서로서는 믿을 수 없을 만큼 놀라운 일입니다." 예를 들어, 중국의 PTA는 FAST를 사용하여 펄서의 타이밍을 측정하는 데 3년밖에 걸리지 않았지만 NANOGrav가 발견하는 데 15년이 걸렸던 저주파 중력파에 대한 유사한 힌트를 여전히 찾을 수 있었습니다. 중국 PTA 팀원들은 Scientific American의 논평 요청에 응답하지 않았습니다.