2023년 6월 30일 중력파의 검출을 실시하고 있는 천문학자의 컨소시엄 North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves(NANOGrav)가 배경중력파의 존재를 시사하는 데이터를 특정했다고 발표했습니다. 이 배경중력파의 흔적을 포착한 것은 전세계의 전파망원경으로 전개되는 연구 프로젝트 시설 '펄서 타이밍 어레이(PTA)'입니다.
International Pulsar Timing Array
https://ipta4gw.org/
NANOGrav - 15 Years of Gravitational Wave Research - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=rkdyVA0xiVI
알베르트 아인슈타인이 제창한 일반상대성이론에서는 시공간의 왜곡이 중력파 형태로 퍼지는 것이 예측되었고 중력파 자체는 2016년에 미국의 레이저 천문대 'LIGO'에 의해 검출되어 존재가 입증되었습니다.
NSF’s LIGO Has Detected Gravitational Waves | NASA
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nsf-s-ligo-has-detected-gravitational-waves
NSF’s LIGO Has Detected Gravitational Waves
The National Science Foundation (NSF) has announced the detection of gravitational waves by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a pair of ground-based observatories in Hanford, Washington, and Livingston, Louisiana.
www.nasa.gov
Einstein's gravitational waves 'seen' from black holes - BBC News
http://www.bbc.com/news/science-environment-35524440
Einstein's gravitational waves 'seen' from black holes
For the first time, scientists detect tiny, rhythmic distortions in space and time - gravitational waves - predicted by Einstein 100 years ago.
www.bbc.com
일반상대성이론에 의하면 태양의 수십억 배의 질량을 가지는 초대질량 블랙홀이 가까워지면 서로 선회하면서 끌어당겨 시공간에 왜곡이 생기고 그 왜곡이 중력파가 되어 빛의 속도로 전해집니다. 물론 이 초대질량 블랙홀은 우주에 많이 존재하고 여러 곳에서 발생한 중력파가 조합되어 우주 전체를 흔드는 배경중력파를 낳습니다.
NONGrev는 "우주의 곳곳에 있는 블랙홀의 연성에서 발생한 다양한 파장의 중력파가 모여 교향곡을 만들어내는데 그것을 "배경중력파"라고 부른다"고 설명했습니다.
NANOGrav는 천문학자와 천문물리학자의 컨소시엄으로, 우주에 숨겨진 수많은 수수께끼를 해결할 목적으로 설립되었습니다. 그 NANOGrav의 연구목적 중 하나는 배경중력파의 조사입니다. 그러나 이 배경중력파의 파장은 무려 수광년(1광년은 약 9조5000억 km)으로 매우 미약하기 때문에 이론적으로 존재는 주장되었지만 10^-8 ~ 10^-9Hz의 저주파로 미약한 중력파를 검출하는 것은 매우 어려운 일이었습니다.
따라서 이 초저주파의 배경중력파를 검출하기 위해 고안된 프로젝트 및 시설이 PTA로, PTA가 포착하는 펄서란 수명을 맞아 초신성 폭발을 일으킨 항성의 고밀도 잔해이며 강한 자기를 가지면서 1~10밀리초로 자전을 하며 전자파를 주기적으로 방출합니다.
PTA는 이 펄서가 방출하는 주기적인 전자파를 거대한 전파망원경으로 감시하는 프로젝트입니다. 마찬가지로 유럽 EPTA, 중국 CPTA, 인도 InPTA, 아프리카 MPTA, 호주 PPTA도 수년 동안 펄서의 전자기파를 관찰했습니다. PTA는 비유하자면 우주의 저편에 위치한 초고정밀 시계를 전파망원경으로 감시하고 있는 것으로, 약간의 어긋남이 생겼을 때 그 원인이 배경중력파일 가능성이 높다는 것입니다.
NANOGrav는 15년에 걸쳐 68개의 펄서를 관측했으며 다른 천체로부터의 간섭이나 노이즈를 제거하고 검증을 거듭한 결과, 지금까지의 중력파보다 훨씬 초저주파이며 초장주기인 배경중력파의 존재를 시사하는 강력한 증거를 얻었다고 합니다.
게다가 이번 NANOGrav와 동시에 CPTA·EPTA·InPTA도 펄서의 관측데이터로부터 배경중력파의 존재를 나타내는 데이터가 발견되었다고 독자적으로 보고했으며, 그 데이터도 주장을 뒷받침하는 것이라고 NANOGrev는 보았습니다.
다만 이번에 발견된 데이터가 실제로 배경중력파를 나타내는 것인 통계적 확실성은 약 3σ로, 물리학의 세계에서는 배경중력파를 발견했다고 주장하기 위해서는 5σ를 넘어야 하는데 NANOGrev는 어디까지나 배경중력파의 존재를 시사하는 증거를 얻었다는 주장에 그치고 있습니다.
그럼에도 불구하고 지금까지 불가능했던 배경중력파의 존재증명에 접근했다는 부분은 과학적으로도 매우 큰 의미를 가지고 있습니다. 또 이번 흔적이 검출된 배경중력파는 초대질량 블랙홀의 연성으로부터 발생했을 가능성이 높고 향후 PTA에서 관측될지도 모르는 저주파 중력파에는 우주의 인플레이션에 의한 급격한 시공간의 가속팽창으로 인한 원시 중력파가 포함될 수 있습니다. LIGO와 같은 중력파 검출뿐만 아니라 PTA에 의해 중력파 검출이 실제로 가능해지면 우주 탄생의 비밀에 다가갈 희망도 보입니다.
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