중력파 배경

Gravitational wave background
시리즈의 일부(on)
물리우주론
초기우주
배경
확장 · 미래
구성요소 · 구조
구성 요소들
구조.
실험
사이언티스트
과목이력

중력파 배경(GWB 및 확률적 배경)은 펄서 타이밍 [1]어레이와 같은 중력파 실험으로 감지할 수 있는 우주에 스며드는 중력파의 무작위 배경입니다.신호는 초기 우주의 확률적 과정과 같이 본질적으로 무작위하거나 초대질량 블랙홀 쌍성과 같이 다수의 약한 독립적인 미해결 중력파 소스의 일관성 없는 중첩에 의해 생성될 수 있습니다.중력파 배경을 감지하는 것은 다른 어떤 방법으로도 접근할 수 없는 정보를 제공할 수 있습니다. 가상의 고대 [2]초거대 블랙홀 쌍성과 가상의 원시 팽창 및 우주 끈과 같은 초기 우주 과정과 같은 천체물리학적 원천 인구에 대한 정보입니다.

확률적 배경의 출처

배경에 대한 여러 잠재적 출처가 다양한 관심 주파수 대역에 걸쳐 가설로 설정되며, 각 출처는 서로 다른 통계적 속성을 가진 배경을 생성합니다.확률적 배경의 근원은 크게 우주론적 근원과 천체물리학적 근원의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

우주론적 출처

우주론적 배경은 여러 초기 우주원에서 생겨날 수 있습니다.이러한 원시 소스의 예로는 초기 우주의 시간에 따라 변하는 팽창 스칼라 필드, 팽창 후의 "예열" 메커니즘, 초기 우주의 우주론적 상전이(전약 상전이 등), 우주 끈 등이 있습니다.이러한 정보원은 더 가상적이지만, 원시 중력파 배경의 감지는 새로운 물리학의 주요 발견이 될 것이며 초기 우주 우주론과 고에너지 [3][4]물리학에 지대한 영향을 미칠 것입니다.

천체물리학적 출처

천체물리학적 배경은 많은 약하고 독립적이며 해결되지 않은 천체물리학적 [2]원천들의 결합된 잡음에 의해 생성됩니다.예를 들어 항성 질량 쌍성 블랙홀 합병에 따른 천체 물리학적 배경은 현재 세대의 지상 기반 중력파 검출기에 대한 확률적 배경의 핵심 소스가 될 것으로 예상됩니다.LIGO와 Virgo 탐지기는 이미 그러한 블랙홀 합병으로 인한 개별 중력파 사건을 탐지했습니다.그러나, 이러한 합병은 검출기에서 무작위로 보이는 잡음을 발생시킬 수 있는 개별적으로 해결할 수 없는 많은 사람들이 있을 것입니다.개별적으로 해결할 수 없는 다른 천체물리학적 정보원들도 배경을 형성할 수 있습니다.예를 들어 충분히 거대한 별이 진화의 마지막 단계에서 붕괴하여 블랙홀이나 중성자별을 형성합니다. 폭발적인 초신성 사건의 마지막 순간에 급격한 붕괴가 일어나면서 중력파가 [5][6]이론적으로 자유로워질 수 있습니다.또한 빠르게 회전하는 중성자별에서는 중력파의 [citation needed]방출로 인한 불안정성이 전체적으로 존재합니다.

소스의 특성은 또한 신호의 민감한 주파수 대역에 따라 달라집니다.LIGO나 Virgo와 같은 현재 세대의 지상 기반 실험은 대략 10Hz에서 1000Hz 사이의 오디오 주파수 대역에서 중력파에 민감합니다.이 대역에서 확률적 배경의 가장 가능성이 높은 원천은 쌍성 중성자별과 항성 질량 쌍성 블랙홀 합병의 [7]천체 물리학적 배경일 것입니다.

펄서 타이밍 어레이(PTA)를 사용하는 것도 관측 방법 중 하나입니다.유럽 펄서 타이밍 어레이(EPTA), 북미 중력파 나노헤르츠 관측소(NANOGrav), 파크스 펄서 타이밍 어레이(PPTA) 등 세 개의 컨소시엄이 국제 펄서 타이밍 어레이의 좌표를 이루고 있습니다.그들은 전파 망원경을 사용하여 밀리초 단위의 펄서의 은하 배열을 감시합니다. 이 펄서들은 나노헤르츠에서 100 나노헤르츠 범위의 낮은 주파수를 가진 중력파에 민감한 은하 규모의 탐지기를 형성합니다.기존 망원경으로 신호를 감지하기 위해서는 수년간의 관찰이 필요하며 검출기 감도가 점차 향상됩니다.민감도 한계가 천체물리학적 [8]근원에 기대되는 것들에 근접하고 있습니다.

태양질량 105~10배의9 초대질량 블랙홀은 은하 중심부에서 발견됩니다.초거대 블랙홀이나 은하 중 어느 것이 먼저 왔는지, 어떻게 진화했는지는 알려지지 않았습니다.은하들이 합쳐질 때, 그들의 중심에 있는 초대질량 블랙홀도 [9]합쳐질 것으로 예상됩니다.이러한 초거대 쌍성은 잠재적으로 가장 큰 저주파 중력파 신호를 생성합니다. 그 중 가장 무거운 것은 원칙적으로 PTA에 [10]의해 감지 가능한 나노헤르츠 중력파 배경의 잠재적 소스입니다.

탐지

NANO Grav(2023)에 의해 관측된 펄서 간 상관관계 그림과 펄서 간 각도 분리, 이론적 헬링스-다운스 모델(대시 퍼플)과 중력파 배경이 없는 경우(초록색)[11][12]

2016년 2월 11일, LIGO와 처녀자리 공동 연구는 2015년 9월에 최초로 중력파를 직접 탐지하고 관측했다고 발표했습니다.이 경우, 감지 가능한 중력파를 만들기 위해 두 개의 블랙홀이 충돌했습니다.이는 GWB의 [13][14]잠재적 감지를 위한 첫 번째 단계입니다.

2023년 6월 28일, 북미 나노헤르츠 중력파 관측소는 밀리초 [15][16]펄서 배열의 관측 데이터를 사용하여 GWB에 대한 증거를 발표했습니다.EPTA,[17] Parkes[18] Observatory 및 Chinese Pulsar Timing Array(CPTA)[19][20]의 관측 결과도 같은 날 발표되어 다양한 망원경과 분석 [21]방법을 사용하여 GWB에 대한 증거를 교차 검증했습니다.이러한 관측은 이론적 헬링스-다운스 곡선, 즉 하늘에서의 각도 분리의 함수로서 두 펄서 사이의 사극 상관 관계를 최초로 측정하는 것을 제공했으며,[22] 이는 관측된 배경의 중력파 기원에 대한 명백한 신호입니다.비록 초대질량 블랙홀의 쌍성들이 유력한 [1]후보이지만, 이 중력파 배경의 근원들은 더 이상의 관찰과 분석 없이는 규명될 수 없습니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ a b O'Callaghan, Jonathan (4 August 2023). "A Background 'Hum' Pervades the Universe. Scientists Are Racing to Find Its Source - Astronomers are now seeking to pinpoint the origins of an exciting new form of gravitational waves that was announced earlier this year". Scientific American. Archived from the original on 4 August 2023. Retrieved 4 August 2023.
  2. ^ a b Joseph D. Romano, Neil. J. Cornish (2017). "Detection methods for stochastic gravitational-wave backgrounds: a unified treatment". Living Rev Relativ. 20 (1): 2. arXiv:1608.06889. Bibcode:2017LRR....20....2R. doi:10.1007/s41114-017-0004-1. PMC 5478100. PMID 28690422.
  3. ^ Krauss, Lawrence D; Dodelson, Scott; Meyer, Stephan (21 May 2010). "Primordial Gravitational Waves and Cosmology". Science. 328 (5981): 989–992. arXiv:1004.2504. doi:10.1126/science.1179541. PMID 20489015. S2CID 11804455.
  4. ^ Christensen, Nelson (21 November 2018). "Stochastic gravitational wave backgrounds". Reports on Progress in Physics. 82 (1): 016903. arXiv:1811.08797. doi:10.1088/1361-6633/aae6b5. PMID 30462612. S2CID 53712558.
  5. ^ Ott, Christian D.; et al. (2012). "Core-Collapse Supernovae, Neutrinos, and Gravitational Waves". Nuclear Physics B: Proceedings Supplements. 235: 381–387. arXiv:1212.4250. Bibcode:2013NuPhS.235..381O. doi:10.1016/j.nuclphysbps.2013.04.036. S2CID 34040033.
  6. ^ Fryer, Chris L.; New, Kimberly C. B. (2003). "Gravitational Waves from Gravitational Collapse". Living Reviews in Relativity. 6 (1): 2. arXiv:gr-qc/0206041. Bibcode:2003LRR.....6....2F. doi:10.12942/lrr-2003-2. PMC 5253977. PMID 28163639.
  7. ^ LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration; Abbott, B. P.; Abbott, R.; Abbott, T. D.; Acernese, F.; Ackley, K.; Adams, C.; Adams, T.; Addesso, P.; Adhikari, R. X.; Adya, V. B. (28 February 2018). "GW170817: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Compact Binary Coalescences". Physical Review Letters. 120 (9): 091101. arXiv:1710.05837. Bibcode:2018PhRvL.120i1101A. doi:10.1103/PhysRevLett.120.091101. PMID 29547330.
  8. ^ Sesana, A. (22 May 2013). "Systematic investigation of the expected gravitational wave signal from supermassive black hole binaries in the pulsar timing band". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters. 433 (1): L1–L5. arXiv:1211.5375. Bibcode:2013MNRAS.433L...1S. doi:10.1093/mnrasl/slt034. S2CID 11176297.
  9. ^ Volonteri, Marta; Haardt, Francesco; Madau, Piero (10 January 2003). "The Assembly and Merging History of Supermassive Black Holes in Hierarchical Models of Galaxy Formation". The Astrophysical Journal. 582 (2): 559–573. arXiv:astro-ph/0207276. Bibcode:2003ApJ...582..559V. doi:10.1086/344675. S2CID 2384554.
  10. ^ Sesana, A.; Vecchio, A.; Colacino, C. N. (11 October 2008). "The stochastic gravitational-wave background from massive black hole binary systems: implications for observations with Pulsar Timing Arrays". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 390 (1): 192–209. arXiv:0804.4476. Bibcode:2008MNRAS.390..192S. doi:10.1111/j.1365-2966.2008.13682.x. S2CID 18929126.
  11. ^ "Focus on NANOGrav's 15 yr Data Set and the Gravitational Wave Background". iopscience.iop.org. June 2023. Retrieved 29 June 2023.
  12. ^ "After 15 years, pulsar timing yields evidence of cosmic gravitational wave background". 29 June 2023.
  13. ^ Abbott, B.P.; et al. (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. arXiv:1602.03837. Bibcode:2016PhRvL.116f1102A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. PMID 26918975. S2CID 124959784.
  14. ^ Castelvecchi, Davide; Witze, Alexandra (11 February 2016). "Einstein's gravitational waves found at last". Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361. S2CID 182916902. Retrieved 11 February 2016.
  15. ^ Miller, Katrina (28 June 2023). "The Cosmos Is Thrumming With Gravitational Waves, Astronomers Find - Radio telescopes around the world picked up a telltale hum reverberating across the cosmos, most likely from supermassive black holes merging in the early universe". The New York Times. ISSN 0362-4331. Archived from the original on 29 June 2023. Retrieved 29 June 2023.
  16. ^ Agazie, Gabriella; Anumarlapudi, Akash; Archibald, Anne M.; Arzoumanian, Zaven; Baker, Paul T.; Bécsy, Bence; Blecha, Laura; Brazier, Adam; Brook, Paul R.; Burke-Spolaor, Sarah; Burnette, Rand; Case, Robin; Charisi, Maria; Chatterjee, Shami; Chatziioannou, Katerina (June 2023). "The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background". The Astrophysical Journal Letters. 951 (1): L8. doi:10.3847/2041-8213/acdac6. ISSN 2041-8205. S2CID 259274684. Archived from the original on 29 June 2023.
  17. ^ Antoniadis, J. (28 June 2023). "The second data release from the European Pulsar Timing Array III. Search for gravitational wave signals". arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE].
  18. ^ Reardon, Daniel J.; Zic, Andrew; Shannon, Ryan M.; Hobbs, George B.; Bailes, Matthew; Di Marco, Valentina; Kapur, Agastya; Rogers, Axl F.; Thrane, Eric; Askew, Jacob; Bhat, N. D. Ramesh; Cameron, Andrew; Curyło, Małgorzata; Coles, William A.; Dai, Shi (29 June 2023). "Search for an Isotropic Gravitational-wave Background with the Parkes Pulsar Timing Array". The Astrophysical Journal Letters. 951 (1): L6. arXiv:2306.16215. doi:10.3847/2041-8213/acdd02. ISSN 2041-8205. S2CID 259275121.
  19. ^ Xu, Heng; Chen, Siyuan; Guo, Yanjun; Jiang, Jinchen; Wang, Bojun; Xu, Jiangwei; Xue, Zihan; Nicolas Caballero, R.; Yuan, Jianping; Xu, Yonghua; Wang, Jingbo; Hao, Longfei; Luo, Jingtao; Lee, Kejia; Han, Jinlin (29 June 2023). "Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I". Research in Astronomy and Astrophysics. 23 (7): 075024. arXiv:2306.16216. doi:10.1088/1674-4527/acdfa5. ISSN 1674-4527. S2CID 259274998.
  20. ^ "Probing the Universe's Secrets: Key Evidence for NanoHertz Gravitational Waves". scitechdaily.com. Chinese Academy of Sciences. 2 July 2023. Retrieved 21 July 2023. Chinese scientists has recently found key evidence for the existence of nanohertz gravitational waves, marking a new era in nanoHertz gravitational research.
  21. ^ Rini, Matteo (2023). "Researchers Capture Gravitational-Wave Background with Pulsar "Antennae"". Physics. Physics 16, 118 (29 June 2023). 16. doi:10.1103/Physics.16.118. S2CID 260750773. Retrieved 1 July 2023. Four independent collaborations have spotted a background of gravitational waves that passes through our Galaxy, opening a new window on the astrophysical and cosmological processes that could produce such waves.
  22. ^ Jenet, Fredrick A.; Romano, Joseph D. (1 July 2015). "Understanding the gravitational-wave Hellings and Downs curve for pulsar timing arrays in terms of sound and electromagnetic waves". American Journal of Physics. 83 (7): 635–645. doi:10.1119/1.4916358. S2CID 116950137.

외부 링크