은하 규모 실험에서 우주 중력파 ‘합창’ 소리 최초 확인

라디오 파를 신중하게 측정함으로써 과학자 팀은 최근 우주 중력파 배경을 처음으로 탐지했다.

은하 규모 실험에서 15년 동안 데이터를 수집한 결과다.

이 획기적인 발견은 천체 메트로놈 역할을 하는 펄서라고 불리는 별을 면밀히 관찰한 북미 나노헤르츠 중력파 관측소(NANOGrav)의 과학자들에 의해 이루어졌다. 새로 감지된 중력파(시공간 구조의 잔물결)는 지금까지 측정된 것 중 가장 강력했다. 중력파는 블랙홀과 중성자별 병합에서 감지된 중력파의 일회성 폭발보다 약 백만 배 더 많은 에너지를 전달한다.

거대한 중력파의 대부분은 아마도 우주 전체에서 대격변 충돌을 향해 나선 쌍의 초대질량 블랙홀에 의해 생성되었을 것이라고 NANOGrav 과학자들은 29일 The Astrophysical Journal Letters에 게재된 일련의 새로운 논문에서 보고했다.

Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics (CCA) 동료 연구 과학자로 새로운 연구 결과를 연구한 NANOGrav 과학자 Chiara Mingarelli는 “이 모든 초대형 블랙홀 쌍이 서로 다른 주파수로 합창단과 같다.”라고 말했다. 이어 그는 “이것은 중력파 배경에 대한 최초의 증거다. 우리는 우주를 관찰하는 새로운 창을 열었다”고 덧붙였다.

오랫동안 이론화되었지만 이전에는 들어본 적이 없는 중력파 배경의 존재와 구성은 초대질량 블랙홀 쌍의 운명에서 은하 합병의 빈도에 이르기까지 오랜 질문에 대한 새로운 통찰력을 제공한다.

현재 NANOGrav는 전체 중력파 배경만 측정할 수 있다.

은하계 전체 실험

이 지점에 도달하는 것은 NANOGrav 팀에게 몇 년 동안의 도전이었다. 중력파는 이전에 측정된 어떤 것과도 달랐다. LIGO 및 Virgo와 같은 지구에 연결된 기기에서 감지하는 고주파와 달리 중력파 배경은 초저주파로 구성된다. 파동 중 하나의 단일 상승 및 하강은 지나가는 데 몇 년 또는 수십 년이 걸릴 수 있다. 중력파는 빛의 속도로 이동하기 때문에 단일 파장의 길이는 수십 광년이 될 수 있다.

지구상의 어떤 실험도 그러한 거대한 파동을 감지할 수 없었기 때문에 NANOGrav 팀은 대신 별을 바라보았다. 그들은 초신성이 된 거대한 별의 초고밀도 잔해인 펄서를 면밀히 관찰했다. 펄서는 별의 등대처럼 행동하여 자극에서 전파를 발사했다. 펄서가 빠르게 회전함에 따라(때때로 초당 수백 번), 그 빔은 하늘을 가로질러 휩쓸고 지구에서 우리의 유리한 지점에서 리드미컬한 전파 펄스로 나타났다.

펄스는 완벽하게 시간이 맞춰진 메트로놈처럼 지구에 도착했다. 타이밍이 너무 정확해서 1967년 Jocelyn Bell이 최초의 펄서 전파를 측정했을 때 천문학자들은 그것이 외계 문명의 신호일지도 모른다고 생각했다.

중력파가 지구와 펄서 사이를 통과할 때 전파 타이밍을 벗어난다. 알버트 아인슈타인이 예측한 것처럼 중력파는 우주를 물결치면서 공간을 늘리고 압축하여 전파가 이동해야 하는 거리를 변경하기 때문이다.

15년 동안 미국과 캐나다의 NANOGrav 과학자들은 푸에르토리코의 아레시보 천문대, 웨스트버지니아의 그린뱅크 망원경, 뉴멕시코의 초대형 어레이를 사용하여 우리 은하에 있는 수십 밀리초 펄서의 전파 펄스를 면밀히 측정했다. 새로운 발견은 67개의 펄서 배열을 자세히 분석한 결과다.

2020년, 12년이 조금 넘는 데이터를 통해 NANOGrav 과학자들은 어레이에 있는 모든 펄서의 타이밍 동작에 공통적인 추가 “윙윙거리는 소리”인 신호의 힌트를 보기 시작했다. 3년이 지난 지금, 그들은 중력파 배경의 존재에 대한 구체적인 증거를 축적했다.

“이제 중력파에 대한 증거를 얻었으므로 다음 단계는 관측을 사용하여 이 험을 생성하는 소스를 연구하는 것”이라고 NANOGrav 감지 작업 그룹 의장인 위스콘신-밀워키 대학 Sarah Vigeland는 말했다.

중력파 배경의 가장 유력한 출처는 죽음의 나선에 갇힌 초대질량 블랙홀 쌍이다. 그 블랙홀은 수십억 태양의 질량을 포함한다. 우리 은하수를 포함한 거의 모든 은하계에는 적어도 하나의 거대 은하가 중심에 있다. 두 은하가 합쳐지면 초대질량 블랙홀이 만나 서로 궤도를 돌기 시작할 수 있다. 시간이 지남에 따라 가스와 별이 블랙홀 사이를 통과하고 에너지를 훔치면서 궤도가 좁혀진다.

결국 초대질량 블랙홀이 너무 가까워져 에너지 뺏기가 중단된다. 일부 이론적 연구는 수십 년 동안 블랙홀이 약 1파섹(약 3광년) 떨어져 있을 때 무기한 충돌없이 안정화한다고 주장해 왔다. 이 이론은 ‘최종 파섹 문제’로 알려지게 됐다. 이 시나리오에서는 3개 이상의 초거대질량 블랙홀로 이루어진 드문 그룹만이 합병을 초래한다.

그러나 초대형 블랙홀 쌍은 다를 수 있다. 그들은 대격변의 피날레에서 결국 충돌할 때까지 서로 궤도를 돌면서 강력한 중력파로 에너지를 방출할 수 있다. 두 개의 블랙홀이 펄서 타이밍 배열로 볼 수 있을 만큼 가까워지면 수백만 년 내에 병합되는 것을 막을 수 있는 것은 아무것도 없다.

NANOGrav에 의해 발견된 중력파 배경의 존재는 이 예측을 뒷받침하는 것으로 보이며 잠재적으로 최종 파섹 문제를 잠재울 수 있다.

초대형 블랙홀 쌍은 은하 병합으로 인해 형성되기 때문에 풍부한 중력파는 우주 역사를 통해 은하가 얼마나 자주 충돌했는지 우주론자들이 추정하는 데 도움이 될 수 있다. CCA와 코네티컷 대학교의 박사 후 연구원 Deborah C. Good과 그들의 동료인 Mingarelli는 중력파 배경의 강도를 연구했다. 그들은 수십만 또는 어쩌면 백만 개 이상의 초대형 블랙홀 바이너리가 우주에 서식하는 것으로 추정한다.

그러나 NANOGrav가 감지한 모든 중력파가 반드시 초대형 블랙홀 쌍에서 나온 것은 아니다. 다른 이론적 제안도 초저주파 범위의 파동을 예측한다. 예를 들어 끈 이론은 우주 끈이라고 하는 1차원적 존재가 초기 우주에서 형성되었을 수 있다고 예측한다. 이 끈은 중력파를 방출하여 에너지를 분산시킬 수 있다. 또 다른 제안은 우주가 빅뱅으로 시작하지 않고 빅 바운스로 우주가 자체적으로 붕괴된 후 외부로 다시 확장된다는 것을 제안한다. 그러한 기원 이야기에서 사건의 중력파는 여전히 시공간을 통해 잔물결을 일으킬 것이다.

또한 펄서는 과학자들이 생각하는 완벽한 중력파 탐지기가 아닐 가능성이 있으며 대신 NANOGrav의 결과를 왜곡하는 알려지지 않은 가변성이 있을 수 있다.

NANOGrav 팀은 펄서를 계속 모니터링하면서 새로 발견된 중력파 배경에 대한 모든 잠재적 기여자를 탐색하기를 희망한다. 파도의 빈도와 하늘의 기원을 기준으로 배경을 세분화할 계획이다.

유럽, 인도, 중국 및 호주에서 망원경을 사용하여 협력하여 오늘 발표한 여러 논문은 데이터에서 동일한 중력파 배경 신호에 대한 힌트를 보고했다. International Pulsar Timing Array 컨소시엄을 통해 개별 그룹은 신호를 더 잘 특성화하고 소스를 식별하기 위해 데이터를 모으고 있다.

새로운 연구를 공동 주도하고 현재 NANOGrav 협력을 이끌고 있는 Vanderbilt University의 Stephen Taylor는 “우리의 결합된 데이터는 훨씬 더 강력할 것”이라고 말했다.