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우리는 우주 배경의 윙윙거리는 소리를 듣기 직전입니다. 우리가 경청하는 이유는 다음과 같습니다. ScienceAlert

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우주는 흥얼거려야 합니다.

모든 초신성, 중성자별 또는 블랙홀 사이의 모든 합병, 심지어 빠르게 회전하는 외로운 중성자별도 중력파의 소스가 될 수 있거나 있어야 합니다.

138억년 전 빅뱅 이후 우주의 급속한 인플레이션은 자체적인 중력파 폭포를 생성했어야 합니다.

연못에 던진 돌처럼, 이러한 거대한 사건은 시공간 구조 자체를 통해 잔물결을 보내야 합니다. 정확히 시간이 맞춰진 신호여야 하는 것의 불일치로 감지할 수 있는 공간의 희미한 팽창과 수축입니다.

총체적으로, 이 신호의 혼합은 중력파 배경으로 알려진 무작위 또는 ‘확률적’ 버즈를 형성하기 위해 결합되며, 이는 아마도 중력파 천문학에서 가장 많이 찾는 탐지 중 하나일 것입니다.

우주 탐사의 새로운 지평

우주 마이크로파 배경의 발견이 이전에 그랬던 것처럼(그리고 계속해서) 중력파 배경을 발견하면 우주와 그 진화에 대한 우리의 이해가 활짝 열릴 것이라고 생각합니다.

“중력 복사의 확률적 배경을 탐지하면 다른 방법으로는 접근할 수 없는 초기 우주의 천체물리학적 근원 집단과 과정에 대한 풍부한 정보를 제공할 수 있습니다.”라고 호주 국립 대학교 및 ARC 센터의 이론 물리학자 Susan Scott은 설명합니다. 중력파 발견 우수상.

“예를 들어, 전자기 복사는 마지막 산란 시간(빅뱅 후 약 400,000년) 이전의 우주 사진을 제공하지 않습니다. 그러나 중력파는 인플레이션 시작까지 거슬러 올라가 정보를 제공할 수 있습니다. , ~10-32 빅뱅 후 몇 초.”

빅뱅 이후 팽창하는 우주의 다이어그램
원시 중력파는 빅뱅 이후 팽창의 결과일 수 있습니다. (NAOJ)

중력파 배경의 중요성을 이해하려면 빅뱅의 또 다른 유물인 우주 마이크로파 배경 또는 CMB에 대해 조금 이야기해야 합니다.

우리 우주가 똑딱 거리기 시작하고 우주가 식기 시작한 직후, 모든 것이었던 거품이 이는 거품이 이온화된 플라즈마 형태의 아원자 입자의 불투명한 수프로 응고되었습니다.

그것과 함께 나오는 모든 방사선은 산란되어 먼 거리를 만드는 것을 방지했습니다.. 이러한 아원자 입자가 원자로 재결합하여 빛이 우주를 자유롭게 이동할 수 있었던 것은 재결합의 시대로 알려진 시대였습니다. 영겁을 통해 아래로.

빅뱅 후 약 38만년 후 첫 번째 섬광이 우주를 통해 터졌고, 그 후 수십억 년 동안 우주가 성장하고 성장함에 따라 이 빛은 구석구석으로 끌려갔습니다. 오늘날에도 여전히 우리 주변에 있습니다. 이 방사선은 매우 희미하지만 특히 극초단파 파장에서 감지할 수 있습니다. 이것은 우주의 첫 번째 빛인 CMB입니다.

비등방성이라고 하는 이 빛의 불규칙성은 첫 번째 빛이 나타내는 작은 온도 변동으로 인해 발생했습니다. 그 발견이 얼마나 경이로운지 과장하기는 어렵습니다. CMB는 초기 우주의 상태에 대해 우리가 가지고 있는 유일한 탐사선 중 하나입니다.

중력파 배경의 발견은 이 성과를 훌륭하게 재현한 것입니다.

“우리는 중력파 배경의 탐지 및 분석이 우주에 대한 우리의 이해를 혁신적으로 변화시킬 것으로 기대합니다.”라고 Scott은 말합니다.

붐-크래쉬 너머의 버즈

중력파의 첫 번째 탐지는 불과 얼마 전인 2015년에 이루어졌습니다.

대략 14억년 전에 충돌한 두 개의 블랙홀은 빛의 속도로 전파되는 물결을 보냈습니다. 지구상에서 이러한 시공간의 확장과 수축은 그러한 사건을 감지하기 위해 수십 년 동안 설계되고 개선된 도구를 아주 희미하게 촉발시켰습니다.

오렌지색 방사선으로 둘러싸인 두 개의 블랙홀
두 개의 충돌하는 블랙홀에 대한 예술가의 묘사. (Caltech/R. Hurt/IPAC)

여러 가지 이유로 기념비적인 탐지였습니다. 그것은 우리에게 처음으로 블랙홀의 존재에 대한 직접적인 확인을 주었습니다.

중력파가 실재한다는 100년 전 일반 상대성 이론의 예측을 확인했습니다.

그리고 그것은 과학자들이 수년 동안 연구해 온 중력파 간섭계라는 이 도구가 블랙홀에 대한 우리의 이해를 혁신적으로 바꿀 것이라는 것을 의미했습니다.

그리고 그것은 있습니다. LIGO와 Virgo 간섭계는 지금까지 거의 100개의 중력파 이벤트를 감지했습니다. 데이터에서 표시된 신호를 생성할 수 있을 만큼 강력한 것입니다.

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이 간섭계는 수 킬로미터 길이의 특수 터널을 비추는 레이저를 사용합니다. 이 레이저는 중력파에 의해 생성된 시공간의 스트레칭 및 압착에 영향을 받아 과학자들이 신호를 생성하는 조밀한 물체의 특성을 추론할 수 있는 간섭 패턴을 생성합니다.

그러나 중력파 배경은 다른 짐승입니다.

“천체 물리학적 배경은 많은 약하고 독립적이며 해결되지 않은 천체 물리학 소스의 혼란스러운 소음에 의해 생성됩니다.”라고 Scott은 말합니다.

“우리의 지상 기반 중력파 탐지기인 LIGO와 Virgo는 이미 한 쌍의 블랙홀이 개별적으로 합쳐지는 수십 건의 중력파를 감지했지만 항성질량 이진 블랙홀 병합에서 나오는 천체물리학적 배경은 GWB의 핵심 소스가 될 것으로 예상됩니다. 현재 세대의 감지기입니다. 우리는 개별적으로 해결할 수 없는 이러한 병합이 많이 있으며 함께 감지기에서 무작위 노이즈를 생성한다는 것을 알고 있습니다.”

우주에서 이진 블랙홀이 충돌하는 속도는 알 수 없지만 우리가 블랙홀을 감지할 수 있는 속도는 추정할 수 있는 기준선을 제공합니다.

병합 블랙홀을 나타내는 어두운 덩어리를 둘러싼 무지개 색상의 파도
블랙홀 바이너리 합병의 수치 시뮬레이션. (N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno(Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes(SXS) Collaboration)

과학자들은 이것이 분당 약 1회에서 시간당 수회 사이이며 감지할 수 있는 각각의 신호가 1초도 안 되는 시간 동안 지속된다고 믿고 있습니다. 이러한 개별 무작위 신호는 감지하기에는 너무 희미하지만 결합하여 정적 배경 잡음을 생성합니다. 천체물리학자들은 이것을 팝콘이 터지는 소리에 비유합니다.

이것은 LIGO 및 Virgo 간섭계와 같은 기기에서 찾을 수 있는 확률적 중력파 신호의 소스가 될 것입니다. 이 장비는 현재 유지 보수 및 준비 중이며 2023년 3월에 새로운 관측 실행에서 일본의 세 번째 관측소인 KAGRA와 합류할 예정입니다. 이 협력을 통해 팝콘 GWB를 감지하는 것은 의문의 여지가 없습니다.

그러나 이것들이 중력파 키트의 유일한 도구는 아닙니다. 그리고 다른 도구는 중력파 배경의 다른 소스를 감지할 수 있습니다. 아직 15년이나 남은 그러한 도구 중 하나는 2037년에 출시될 LISA(Laser Interferometer Space Antenna)입니다.

LIGO 및 Virgo와 동일한 기술을 기반으로 하지만 길이가 250만 킬로미터인 “팔”이 있습니다. 그것은 LIGO 및 Virgo보다 훨씬 낮은 주파수 영역에서 작동하므로 다양한 종류의 중력파 이벤트를 감지합니다.

ligo의 교차 팔의 개략도
LIGO는 레이저를 수직 방향으로 분할하는 빔 스플리터로 구성됩니다. 빔을 재정렬하면 둘 중 하나가 가장 적은 양만 변경된 경우 패턴이 생성됩니다. (칼텍/MIT/LIGO 연구소)

Scott은 ScienceAlert에 “GWB가 항상 팝콘과 같은 것은 아닙니다.”라고 말합니다.

“그것은 또한 파티에서 배경 대화와 유사한 혼란 소음을 생성하는 시간에 중첩되는 개별 결정론적 신호로 구성될 수 있습니다. 혼란 소음의 예는 소형 백색 왜성 바이너리의 은하 인구에 의해 생성되는 중력 복사입니다. 이것은 다음과 같습니다. LISA에 있어서 혼동 노이즈의 중요한 소스입니다. 이 경우 확률적 신호가 너무 강해서 전경이 되어 동일한 주파수 대역에서 다른 약한 중력파 신호를 감지하려고 할 때 추가 노이즈 소스로 작용합니다.”

LISA는 또한 이론적으로 빅뱅 직후의 우주 인플레이션 또는 우주 끈(인플레이션이 끝날 때 형성되었을 수 있는 우주의 이론적인 균열)과 같은 중력파 배경의 우주적 소스를 감지할 수 있으며 중력파를 통해 에너지를 잃습니다.

우주의 맥박 타이밍

또한 과학자들이 중력파 배경의 힌트를 찾기 위해 연구해 온 거대한 은하 규모의 중력파 관측소인 펄서 타이밍 어레이가 있습니다. 펄서는 장엄한 초신성 폭발로 죽은 한때 거대했던 별의 잔해인 중성자별의 일종으로 밀도가 높은 핵만 남습니다.

펄서는 우주의 등대처럼 극에서 방출되는 전파 광선이 지구를 지나쳐 지나는 방식으로 회전합니다. 그들 중 일부는 내비게이션과 같은 다양한 응용 프로그램에 유용한 매우 정확한 간격으로 그렇게 합니다.

그러나 이론적으로 시공간의 스트레칭과 압착은 펄서 섬광의 타이밍에 미세한 불규칙성을 생성해야 합니다.

타이밍에서 약간의 불일치를 나타내는 하나의 펄서가 별 의미가 없을 수도 있지만, 펄서 무리가 상관된 타이밍 불일치를 보인다면 초대질량 블랙홀에 영감을 주어 생성된 중력파를 나타낼 수 있습니다.

과학자들은 펄서 타이밍 어레이에서 이 중력파 배경 소스에 대한 감질나는 힌트를 발견했지만, 그것이 사실인지 판단할 충분한 데이터가 아직 없습니다.

우리는 중력파 배경의 탐지에 매우 가까이 서 있습니다. 우주 전체에 걸쳐 블랙홀의 행동을 드러내는 천체 물리학 배경; 그리고 우주론적 배경 – CMB, 인플레이션, 빅뱅 자체에서 볼 수 있는 양자 요동.

Scott은 이것이 흰고래라고 말합니다. 배경을 시끄러운 전체를 구성하는 개별 소스로 분리하는 어려운 작업 후에야 볼 수 있는 고래입니다.

“우리는 천체 물리학적으로 생성된 배경을 감지하여 풍부한 정보를 얻을 수 있기를 기대하지만, 빅뱅의 중력파 관측은 실제로 중력파 천문학의 궁극적인 목표입니다.”라고 그녀는 말합니다.

“이 이진 블랙홀 전경을 제거함으로써 아인슈타인 망원경과 우주 탐사선과 같은 제안된 3세대 지상 기반 탐지기는 5년간의 관측으로 우주적으로 생성된 배경에 민감할 수 있으므로 중요한 우주 관측이 가능한 영역에 진입할 수 있습니다. 만들어지다.”

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