핵 붕괴 초신성에서 중력파 기억 효과 감지

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 지금까지 모든 실험에서 정확한 예측을 보였다. 그 중 하나인 “중력파 기억 효과”는 아직 확인되지 않은 예측 중 하나다. 이 예측은 중력파가 우주를 통과할 때, 우주 물체들 간의 거리를 영구적으로 변화시킬 수 있다는 내용이다.

중력파는 초신성처럼 거대한 별들이 붕괴하면서 발생하는데, 현재까지 지구의 중력파 검출기에서 초신성에서 발생한 중력파를 확실히 감지한 적은 없었다. 그 이유는 현재의 검출기가 10 헤르츠 이하의 낮은 주파수 대역에서는 민감도가 부족하기 때문이다.

최근 연구에서는 현재 존재하는 중력파 관측 장비를 이용해 중력파 기억 효과를 탐지할 수 있는 방법을 제시했다. 이 연구는 《Physical Review Letters》에 발표됐다.

지금까지 탐지된 중력파는 대부분 블랙홀-블랙홀 병합, 중성자별-중성자별 병합, 혹은 그 혼합에서 발생한 중력파였다.

태양 질량의 10배 이상인 초신성은 중력파를 발생시킬 것으로 예상된다. 이 파동은 블랙홀 병합에서 발생한 중력파보다 진폭이 작고 다른 특성을 지닌 신호를 보낼 수 있다.

초신성의 핵붕괴(핵붕괴 초신성, CCSN)에서는 거대한 별의 핵이 갑자기 붕괴하면서, 별 내부의 융합 에너지가 별의 중력을 이겨낼 수 없게 되어 폭발적인 충격파가 발생한다. 이 충격파는 중력파의 형태로 일부 에너지를 방출하며, 이 중력파는 별 내부에서 발생한 변화로부터 중요한 정보를 담고 있다. 이는 전자기파(빛) 신호만으로는 얻을 수 없는 정보다.

하지만 초신성에서 발생하는 중력파는 블랙홀 병합에서 나오는 중력파보다 훨씬 더 약하고 복잡하며, 주파수는 낮고 지속 시간은 짧다. 그럼에도 불구하고, 이들 중력파는 “기억” 효과를 가지고 있다. 만약 초신성의 폭발에서 물질과 중성미자 방출이 균일하지 않다면, 이는 추가적인 중력파를 생성할 수 있다. 이 중력파는 “기억 효과”를 나타내며, 기존의 중력파처럼 완전히 0으로 돌아가지 않고 일정 값에 수렴하는 특징을 보인다.

이 기억 효과는 아직 발견되지 않았다. 고주파 중력파 검출기인 LIGO는 중력파 기억 효과에 민감하지 않다. 이는 이러한 검출기들이 중력파 신호가 완전히 0으로 돌아가는 대신 일정한 값에 도달하는 데 걸리는 시간이 너무 길어 대응하기 어렵기 때문이다.

하지만 제안된 우주 기반의 레이저 간섭계 우주 안테나(LISA)와 같은 더 큰 간섭계(interferometer)는 낮은 주파수에서 더 민감하게 반응할 수 있다. LISA는 긴 간섭계 팔을 사용해 저주파 중력파를 감지할 수 있으며, 이 주파수 대역에서는 중력파 기억 효과가 강하게 나타날 수 있다.

미국 테네시 대학교의 콜터 J. 리차드슨 교수와 연구팀은 최신 3D 시뮬레이션을 통해 핵붕괴 초신성에서 발생하는 중력파의 기억 효과를 연구했다. 연구팀은 시뮬레이션을 통해 중력파 신호의 진폭이 점진적으로 증가하는 “램프업” 현상을 확인했으며, 이 현상은 중력파 기억 효과의 특징적 패턴이다. 연구진은 중력파 신호가 1초 이상 지속될 수 있음을 발견했다. 이를 통해 현재의 중력파 관측기기에서도 3만광년 떨어진 거리에서 25배 태양 질량의 초신성에서 발생한 중력파를 탐지할 수 있다고 밝혔다.

리차드슨 교수는 이번 연구가 저주파 대역에서의 중력파 탐지 가능성을 열어주고, 향후 중력파 관측 장비의 민감도를 개선하는 데 도움이 될 것이라고 설명했다.