중력파 천문학

Gravitational-wave astronomy
서로 공전하는 두 개의 거대한 물체로 이루어진 쌍성계는 중력파 천문학의 중요한 원천이다.이 시스템은 궤도를 돌면서 중력 복사를 방출하고, 이는 에너지와 운동량을 빼앗아 궤도를 [1][2]수축시킵니다.여기 보이는 것은 LISA와 같은 우주 전달 탐지기들의 중요한 원천인 이진 백색 왜성 시스템입니다.백색왜성의 궁극적인 합성으로 인해 초신성이 생성될 수 있으며, 이 초신성은 세 번째 패널에서의 폭발로 나타납니다.

중력파 천문학은 중력파(알버트 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 예측된 시공간 미세왜곡)를 중성자별과 블랙홀, 초신성과 같은 사건, 그리고 그것들을 포함한 과정들에 대한 관측 데이터를 수집하기 위해 사용하는 것을 목표로 하는 관측 천문학에서 새롭게 부상하는 분야이다.빅뱅 직후의 초기 우주의 모습.

중력파는 상대성 이론에 기반을 둔 확고한 이론적 근거를 가지고 있다.그것들은 1916년 아인슈타인에 의해 처음 예측되었다; 비록 일반 상대성 이론의 특정한 결과이긴 하지만, 그것들은 특수 상대성 [3]이론에 따르는 모든 중력 이론의 공통적인 특징이다.그러나 1916년 이후 파동이 실제로 물리적인 것인지 아니면 일반 상대성 이론의 좌표 자유에 대한 예술품인지에 대한 오랜 논쟁이 있었다; 이것은 1950년대에 이르러서야 완전히 해결되었다.이들의 존재에 대한 간접적인 관측 증거는 1980년대 후반에 헐스-테일러 쌍성 펄서(1974년 발견)를 관찰함으로써 처음 나왔다. 펄서 궤도는 중력파 [4]방출에 대해 예상한 대로 정확하게 진화하는 것으로 밝혀졌다.헐스와 테일러는 이 발견으로 1993년 노벨 물리학상을 받았다.

2016년 2월 11일 LIGO 협업이 2015년 9월 처음으로 중력파를 직접 관측했다고 발표했다.중력파의 두 번째 관측은 2015년 12월 26일에 이루어졌고 2016년 [5]6월 15일에 발표되었다.베리 배리시, 킵 손, 레이너 와이스는 이 연구를 이끈 공로로 2017년 노벨 물리학상을 수상했다.

관찰.

주요 기사:중력파 관측 목록
주파수의 함수로서 선택한 중력파 검출기에 대한 노이즈 곡선.초저주파수로는 펄서 타이밍 어레이, 유럽 펄서 타이밍 어레이(EPTA) 및 미래 국제 펄서 타이밍 어레이(IPTA)가 있으며, 저주파수로는 이전에 제안된 레이저 간섭계 공간 안테나(LISA) 및 현재 제안된 레이저 간섭계 공간 안테나(LASA)가 있습니다.주파수는 지상 기반 검출기, 초기 Laser Interferometer Gravitical-Wave Observatory(LIGO; Laser Interferometer 중력파 관측기) 및 그 고급 구성(aLIGO)입니다.잠재적 천체물리학적 소스의 특징적인 변형도 나타난다.신호의 특성 왜곡이 노이즈 [6]곡선보다 커야 검출할 수 있습니다.

일반적인 중력파의 주파수는 매우 낮고 감지하기가 훨씬 어려운 반면, 더 극적인 사건에서 높은 주파수가 발생하며, 따라서 관측되는 첫 번째가 되었다.

블랙홀의 병합과 더불어, 쌍성 중성자별의 병합이 직접적으로 감지되었다. 2017년 8월 17일 12:41:06 UTC에 궤도를 도는 페르미 감마선 폭발 모니터에 의해 감마선 폭발(GRB)이 감지되어 전 세계적으로 자동 통지가 촉발되었다.6분 후 중력파 관측소인 핸포드 LIGO의 단일 검출기는 감마선 폭발 2초 전에 발생하는 중력파 후보를 기록했다.중력파, 전자기파(감마선 폭발, 광학 및 적외선) 스펙트럼 목격에 의해 신호화된 다중 메신저 과도 이벤트에서 입증되었듯이, 이 일련의 관측은 쌍성 중성자별 [7]합성과 일치한다.

고주파

2015년 LIGO 프로젝트는 레이저 [8][9]간섭계를 이용하여 중력파를 직접 관측한 최초의 프로젝트였다.LIGO 검출기는 두 개의 항성질량 블랙홀이 합쳐지면서 발생하는 중력파를 관측했으며, 이는 일반상대성이론의 [10][11][12]예측과 일치했다.이러한 관측은 쌍성-질량 블랙홀 시스템의 존재를 증명했으며, 중력파를 직접 감지한 최초의 관측이었고 쌍성 블랙홀 [13]병합을 관측한 최초의 관측이었다.이 발견은 과학에 혁명적인 것으로 특징지어졌습니다.왜냐하면 중력파 천문학을 사용하여 암흑 물질과 빅뱅의 탐색과 탐사를 진전시킬 수 있는 우리의 능력을 검증했기 때문입니다.

현재 중력파를 관측하기 위한 몇 가지 과학적 협업이 있다.지상 기반 검출기의 전세계 네트워크가 있으며, 여기에는 MIT, 칼텍 및 LIGO 과학 공동 프로젝트인 LIGO(Laser Interferometer Gravitical-Wave Observatory)와 루이지애나 주 리빙스턴 및 워싱턴 주 핸포드에 있는 검출기와의 LIGO 과학 공동 프로젝트, 버고(Virgo)가 포함된다.e 유럽 중력 관측소, 이탈리아 카시나의 GEO600, 독일 사르스테트의 GEO600, 일본 가미오카 천문대의 도쿄 대학이 운영하는 가미오카 중력파 검출기(KAGRA).LIGO와 Virgo는 모두 고급 구성으로 업그레이드되었습니다.첨단 LIGO는 설계 감도에 이르지 못했지만 중력파를 감지하는 방식으로 2015년 관측을 시작했다.2020년 2월 25일에 관측을 개시한 KAGRA는, GEO600은 현재 가동하고 있지만, 그 감도 때문에 관측을 실시할 수 없는 것이 주된 목적이다.

저주파

다른 관찰 수단으로는 펄서 타이밍 어레이(PTA)를 사용하는 것이 있습니다.유럽 펄서 타이밍 어레이(EPTA), 북미 중력파 나노헤르츠 관측소(NANOGrav), 파크스 펄서 타이밍 어레이(PPTA) 등 3개의 컨소시엄이 있으며 이들은 국제 펄서 타이밍 어레이로 협력하고 있다.이것들은 기존의 전파 망원경을 사용하지만, 나노헤르츠 범위의 주파수에 민감하기 때문에, 신호를 검출하기 위해서는 수년간의 관찰이 필요하며 검출기의 감도가 점차 개선된다.현재 한계치는 천체물리학적 [14]소스로 예상되는 한계치에 근접하고 있다.

중간 주파수

더 나아가 미래에는 우주 전달 검출기의 가능성이 있다.유럽우주국은 L3 임무를 위해 중력파 임무를 선택했으며, 2034년 발사될 예정으로, 현재 개념은 진화된 레이저 간섭계 우주 안테나(eLISA)[15]입니다.일본의 데시헤르츠 간섭계 중력파 관측소(DECIGO)도 개발 중이다.

과학적 가치

천문학은 전통적으로 전자기 복사에 의존해 왔다.가시 대역에서 출발하여, 기술이 발전함에 따라, 전파에서 감마선에 이르는 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 관찰할 수 있게 되었다.각각의 새로운 주파수 대역은 우주에 대한 새로운 관점을 제시했고 새로운 [16]발견을 예고했다.20세기 동안, 간접적이고 나중에 직접적으로 고에너지, 질량의 입자를 측정함으로써 우주를 향한 추가적인 창을 제공했습니다.20세기 후반, 태양 중성미자의 발견은 [17][18]태양의 내부 작용과 같이 이전에는 접근할 수 없었던 현상을 통찰하면서 중성미자 천문학 분야를 확립했다.중력파의 관측은 천체물리학적 관측을 할 수 있는 또 다른 수단을 제공한다.

러셀 헐스와 조셉 테일러는 펄서 중 하나인 중성자별 한 쌍의 궤도 붕괴가 중력 방사선에 [19]대한 일반 상대성 이론의 예측과 일치한다는 것을 보여준 공로로 1993년 노벨 물리학상을 수상했다.그 후, 다른 많은 쌍성 펄스(이중 펄서 시스템 1개 포함)가 관측되었으며, 모두 중력파 [20]예측에 부합한다.2017년에는 중력파를 [21][22][23]최초로 검출한 공로로 레이너 바이스, 킵 손, 베리 배리쉬가 노벨 물리학상을 받았다.

중력파는 다른 방법으로 제공되는 것에 대한 보완적인 정보를 제공한다.서로 다른 평균을 사용하여 만든 단일 사건의 관측치를 결합하면 출처의 특성을 보다 완벽하게 이해할 수 있습니다.이것은 멀티 메신저 천문학으로 알려져 있다.중력파는 또한 다른 어떤 방법으로도 보이지 않는(또는 거의 감지 불가능한) 시스템을 관찰하는데 사용될 수 있다.예를 들어, 블랙홀의 특성을 측정하는 독특한 방법을 제공합니다.

중력파는 많은 시스템에 의해 방출될 수 있지만, 검출 가능한 신호를 생성하기 위해서는 광속의 상당한 비율로 이동하는 매우 무거운 물체로 구성되어야 합니다.주요 소스는 2개의 콤팩트한 오브젝트로 이루어진 바이너리입니다.예를 들어 다음과 같은 시스템이 있습니다.

  • 백색왜성, 중성자별 또는 블랙홀과 같이 항성질량이 가까운 물체 두 개로 이루어진 콤팩트 쌍성입니다.더 낮은 궤도 주파수를 가진 넓은 이진수는 [24][25]LISA와 같은 검출기의 원천입니다.근접 바이너리는 LIGO와 [26]같은 지상 기반 검출기에 대한 신호를 생성합니다.지상 검출기는 잠재적으로 수백 태양 [27][28]질량의 중간 질량 블랙홀을 포함하는 이항성을 검출할 수 있다.
  • 태양 질량이 105~10인9 두 개의 블랙홀로 구성된 초대질량 블랙홀 쌍성입니다.초거대 블랙홀은 은하 중심에서 발견됩니다.은하들이 합칠 때, 중심 초대질량 블랙홀들도 [29]합칠 것으로 예상됩니다.이것들은 잠재적으로 가장 큰 중력파 신호입니다.가장 큰 쌍성은 PTA의 [30]원천입니다.LISA와 [31]같은 우주 전달 검출기의 원천은 질량이 적은 쌍성(태양 질량 약 100만 개)이다.
  • 초질량 블랙홀 [32]주위를 도는 항성질량 콤팩트한 물체의 초질량비율계.이것들은 [31]LISA와 같은 검출기의 소스입니다.매우 이심된 궤도를 가진 시스템은 가장 가까운 [33]지점을 통과할 때 중력 복사의 폭발을 일으킨다. 즉, 인스피럴의 끝을 향해 예상되는 원근원 궤도를 가진 시스템은 LISA의 주파수 [34]대역 내에서 연속적으로 방출된다.극질량비 영감은 여러 궤도에서 관찰될 수 있습니다.이는 일반 상대성 [35]이론의 정밀 테스트를 가능하게 하여 배경 시공간 기하학의 훌륭한 프로브가 됩니다.

바이너리 외에 다른 잠재적인 소스가 있습니다.

  • 초신성은 LIGO나 [36]처녀자리로 탐지할 수 있는 고주파 중력파 폭발을 일으킨다.
  • 회전하는 중성자별은 축방향 비대칭성을 [37][38]가진 경우 지속적인 고주파 파장의 원천이다.
  • 초기 우주 과정(인플레이션이나 상전이 등)[39]
  • 우주 [40]끈이 존재한다면 중력 방사선을 방출할 수도 있다.이러한 중력파의 발견은 우주 현의 존재를 확인시켜 줄 것이다.

중력파는 물질과 약하게만 상호작용한다.이것이 그들을 발견하기 어렵게 만드는 것이다.이것은 또한 그들이 우주를 자유롭게 여행할 수 있고 전자파 복사처럼 흡수되거나 흩어지지 않는다는 것을 의미합니다.따라서 초신성 중심이나 은하 중심과 같은 밀도가 높은 시스템의 중심을 볼 수 있습니다.초기 우주는 재결합 전에는 빛에 불투명했지만 [41]중력파에는 투명했기 때문에 전자파보다 더 먼 시간을 보는 것도 가능하다.

중력파가 물질을 자유롭게 이동할 수 있다는 것은 망원경과는 달리 중력파 검출기가 하나의 시야를 관측하는 것이 아니라 전체 하늘을 관측하도록 지시된다는 것을 의미한다.검출기는 어떤 방향에서는 다른 방향보다 민감하기 때문에 [42]검출기 네트워크가 유리하다.검출기 수가 적기 때문에 방향성도 떨어진다.

우주 인플레이션에서

빅뱅 이후 처음 10초 동안 우주가 급격히−36 팽창한 가설의 기간인 우주 팽창은 중력파를 발생시켰을 것이다; 그것은 CMB [43][44]방사선의 편광에 특징적인 흔적을 남겼을 것이다.

마이크로파 방사선의 패턴 측정에서 원시 중력파의 특성을 계산하여 초기 [how?]우주에 대해 알아보는 것이 가능하다.

발전

LIGO 핸포드 제어실

젊은 연구 분야로서, 중력파 천문학은 아직 개발 중이지만, 천체 물리학계에서는 이 분야가 21세기 다중 메신저 [45]천문학에서 확립된 구성요소로 발전한다는 데 의견이 일치하고 있다.

중력파 관측은 전자기 [46][45]스펙트럼의 관측을 보완한다.이러한 파장은 또한 전자파의 검출과 분석을 통해서는 불가능한 방식으로 정보를 산출할 것을 약속한다.전자파는 소스에 대한 정보 추출을 어렵게 하는 방법으로 흡수 및 재방사될 수 있다.그러나 중력파는 물질과 약하게 상호작용할 뿐이며, 이는 그것들이 흩어지거나 흡수되지 않는다는 것을 의미한다.이것은 천문학자들이 초신성, 항성 성운의 중심을 새로운 방식으로 볼 수 있게 해 줄 것이며 심지어 은하 중심부와 충돌할 수도 있다.

지상 검출기는 인스피럴 단계와 두 별의 질량 블랙홀의 쌍성계 합병, 그리고 두 중성자별의 합병에 대한 새로운 정보를 얻었다.그들은 또한 핵붕괴 초신성과 작은 변형을 가진 펄서와 같은 주기적인 소스로부터의 신호를 감지할 수 있었다.만약 매우 초기 우주의 긴 끈(우주 시간 약 10초−25)에서 발생한 특정 종류의 위상 전이나 꼬임 폭발에 대한 추측이 사실이라면, 이것들도 발견될 [47]수 있을 것이다.LISA와 같은 우주 기반 검출기는 두 개의 백색왜성과 AM CVn 별(쌍성 파트너인 저질량 헬륨 별로부터 축적된 백색왜성)으로 구성된 물체를 검출해야 하며, 초거대 블랙홀과 작은 물체(태양 질량 1천 개 사이)가 이러한 bl로 병합되는 것도 관찰해야 한다.ack 구멍또한 LISA는 초기 우주에서 나온 것과 같은 종류의 음원을 지상 기반 검출기와 같은 방식으로 들을 수 있을 것입니다. 하지만 주파수는 더 낮고 [48]감도는 훨씬 높아집니다.

방출된 중력파를 탐지하는 것은 어려운 일이다.지상 기반 검출기 GEO600에 [49]표시된 것처럼 최소 2·10Hz의−22−1/2 감도로 보정된 초안정 고품질 레이저와 검출기를 사용한다.또한 초신성 폭발과 같은 큰 천문학적 사건에서도 이러한 파동은 원자 [50]지름만큼 작은 진동으로 저하될 가능성이 있다는 것이 제안되었다.

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