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우주 전체가 극도로 긴 파동의 시공간 진동의 "윙윙거리는 소리"로 가득 차 있다.

중력파 배경 감지됐다.

우주 전체가 극도로 긴 파동의 시공간 진동의 "윙윙거리는 소리"로 가득 차 있다.

 

전체 우주에 존재하는 진동(Omnipresent Vibrations):

전체 우주는 중력파 배경인 몇 광년 길이의 보이지 않는 파동으로 가득 차 있다. 천문학자들은 이제 처음으로 이러한 장파 시공간 진동을 감지했다. 별의 블랙홀 충돌에서 나오는 매우 짧고 높은 음조의 신호와 달리 이 거대한 진동은 지속적인 "윙윙거리는 소리"와 비슷하다. 연구원들은 중력파에 의해 전파 펄스가 편향되는 펄서의 장기 관측을 통해 이를 감지했다.

 

▲ 전체 우주는 장파장 중력파의 지속적인 배경 소음으로 가득 차 있다. 천문학자들은 이제 처음으로 이러한 시공간 진동을 감지했다. © Aurore Simonnet / NANOGrav Collaboration

1916년에 알버트 아인슈타인은 거대한 우주 물체의 움직임이 시공간을 진동시킨다고 예측했다. 2015년 천문학자들은 처음으로 한 쌍의 항성 블랙홀이 합쳐지면서 중력파를 감지할 수 있었다. 그 이후로 그들은 그러한 사건의 전체 "주기율표"를 감지했다. 음향 용어로 번역하면 중성자별 또는 블랙홀 충돌의 단기 고주파 시공간 진동은 짧은 휘파람 소리 또는 지저귀는 소리와 비슷하다.

 

짧은 휘파람 대신 지속적인 윙윙거리는 소리

 

그러나 천체물리학자들은 이 매우 짧고 산발적인 사건 외에도 우주에 더 오래 지속되는 장파장 중력파가 있어야 한다고 오랫동안 의심해 왔다. 그러한 파동의 단일 진동은 수 광년에 걸쳐 있을 수 있다. 이러한 극도로 낮은 주파수의 시공간 진동은 예를 들어 초대질량 블랙홀의 듀오 또는 트리오가 서로 상호 작용할 때 발생한다. 이 거인들은 태양 질량의 수백만에서 수십억의 무게가 나기 때문에 장파 중력파의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출한다.

 

이러한 유형의 다른 파동은 여전히 ​​우주 초기의 것일 수도 있고 심지어 빅뱅 이전 우주의 붕괴인 빅 바운스의 메아리를 나타낼 수도 있다. 이러한 모든 진동이 결합되어 광대하지만 보이지 않는 중력파의 편재하는 배경을 생성한다. 즉, 유비쿼터스 "바닥 소음" 또는 움직이는 시공간의 "윙윙거리는 소리"이다. 이 진동하는 배경은 희미한 무선 잡음으로 전체 우주를 채우는 우주 배경 복사에 대한 중력 대응물을 형성한다.

 

검색 도우미로서의 펄서

 

그런데 문제는 파장이 수 광년인 중력파를 탐지하려면 은하 반개 크기의 탐지기가 필요하고 시간도 많이 걸린다는 점이다. 따라서 천문학자들은 이러한 거대한 진동을 찾기 위해 우주의 "조력자"를 이용했다. "중력파를 위한 북미 나노헤르츠 천문대"(NANOGrav) 협력은 현재 파괴된 아레시보 전파 망원경, 웨스트버지니아의 그린뱅크 망원경, 뉴멕시코의 초대형 어레이를 사용했다.

 

이 대형 전파 망원경으로 천문학자들은 15년 동안 우리 은하계의 67밀리초 펄서를 반복적으로 목표로 삼았다. 펄서는 자체 축에서 빠르게 회전하는 중성자별이며 일종의 우주 비콘과 같은 집중된 전파 빔을 방출한다. 지구에서 볼 때 이 펄서는 우주의 메트로놈처럼 빠르지만 매우 규칙적인 무선 펄스를 방출한다.

▲ 궤도를 도는 초대질량 블랙홀 쌍은 몇 광년 길이의 강력한 중력파를 방출한다. © 미국 국립과학재단

클럭 속도의 미묘한 변화

 

이것은 장파 중력파가 작용하는 곳이다. 중력파가 우리와 펄서 사이의 시공간을 늘리고 압축할 때 이것은 또한 라디오 펄스의 이동 시간을 변경한다. ". 몇 년 동안 이러한 편차는 시공간 진동의 모양을 추적해야 합니다.

 

"펄서는 ​​상대적으로 희미한 전파원이지만 이 실험을 수행하기 위해 세계에서 가장 큰 망원경 중 일부에서 연간 수천 시간의 관측 시간이 필요했다"고 West Virginia University의 Maura McLaughlin은 말했다. 2020년, 12년간의 펄서 관측 끝에 연구원들은 실제로 그들이 찾고 있던 중력파의 첫 징후를 보기 시작했다. 이제 15년간의 데이터 수집 끝에 NANOGrav 팀은 이러한 의심을 확인했다.

 

"중력파 우주의 음악"

 

Oregon State University의 Xavier Siemens는 "이제 우리는 그것이 실제로 중력파 우주의 음악이라는 것을 안다"고 말했다. 은하수에 분포된 펄서의 시계 변동은 전체 우주가 이러한 장파장 시공간 진동의 "윙윙거리는 소리"로 가득 차 있음을 시사한다. 뉴욕시 Flatiron Institute의 Chiara Mingarelli는 "이것은 중력파 배경의 첫 번째 탐지이며 우주로 완전히 새로운 관측 창을 열었다"고 말했다.

 

천문학자들은 그들이 감지하는 시공간 진동의 상당 부분이 이론에 의해 예측된 대로 궤도를 도는 초대형 블랙홀의 상호 작용으로 거슬러 올라갈 수 있다고 가정한다. 그 과정에서 방출되는 중력파의 주파수는 무엇보다도 블랙홀의 질량과 움직임에 따라 달라진다. Mingarelli는 "이 모든 블랙홀이 서로 다른 주파수로 결합하는 합창과 같다."고 설명했다.

예상보다 크게

그러나 놀랍게도 "중력파 배경은 예상보다 약 두 배 더 크다"고 Mingarelli는 보고했다. "그것은 진동 모델이 그러한 블랙홀에 대해서만 예측하는 것의 상한선에서 움직인다." 따라서 연구원들은 다른 프로세스가 시공간 진동의 이 윙윙거리는 합창에 기여할 수 있다고 추측한다. 그러나 이것들이 무엇인지는 아직 불분명하다. 지금까지 데이터는 모든 잠재적 소스의 결합된 "버즈"만 표시했다.

NANOGrav 협력의 목표는 이제 중력파 배경의 개별 소스에 대해 더 많이 알아내는 것이다. 따라서 연구자들은 데이터를 평가하여 이 윙윙거리는 소리에 나타나는 주파수를 결정하고 개별 진동이 어디에서 오는지에 대한 단서를 찾을 계획이다. Mingarelli는 "여기서는 시작 단계에 불과하다"고 말했다. 

▲ 밀리초 펄서는 매우 규칙적인 무선 펄스를 방출한다. 이 클록 속도의 편차는 장파장 시공간 진동의 존재를 드러낼 수 있다. © U.S. National Science Foundation

풀링된 데이터는 더 많은 정보를 밝힐 수 있다.

도움이 됨: 전파 망원경과 펄서의 도움으로 배경 중력파의 증거를 발견한 것은 NANOGrav 협력의 천문학자들만이 아닙니다. 동시에 유럽, 인도, 중국 및 호주의 팀은 여러 전문 기사에서 매우 유사한 관찰 결과를 보고했다. "International Pulsar Timing Array Consortium"의 일부로서 그룹은 해상도를 높이기 위해 미래에 데이터를 결합하기를 원한다.

"우리의 결합된 데이터는 훨씬 더 의미가 있을 것이다"고 NANOGrav 협업의 리더인 Vanderbilt University의 Stephen Taylor는 말했다. "그들이 우리 우주에 대해 어떤 비밀을 밝혀줄지 기대된다." 

(The Astrophysical Journal Letters, 2023; doi: 10.3847/2041-8213/acdac6)
출처: 북미 중력파 나노헤르츠 관측소(NANOGrav), 국립 과학 재단, 시몬스 재단

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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