중력파 배경

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1. 개요
2. 확률적 배경의 근원
- 2.1. 우주론적 근원
- 2.2. 천체물리학적 근원
3. 주파수 대역별 중력파 배경
- 3.1. 고주파 대역 (10 Hz ~ 1000 Hz)
- 3.2. 저주파 대역 (나노헤르츠 ~ 100 나노헤르츠)
4. 중력파 배경 탐지
참조

1. 개요

중력파 배경은 우주론적 근원과 천체물리학적 근원에서 기인하는 확률적 중력파의 중첩으로, 다양한 천체 현상에서 발생한다. 초기 우주의 급팽창, 위상 전이, 우주 끈과 같은 현상과 항성 질량 블랙홀 쌍성 병합, 중성자별 쌍성 병합, 초신성 폭발 등이 중력파 배경의 원인으로 꼽힌다. 현재 세대의 지상 기반 중력파 검출기는 10 Hz ~ 1000 Hz 대역에서 쌍성 중성자별 및 항성 질량 블랙홀 병합을, 펄사 타이밍 배열은 나노헤르츠 대역에서 초대질량 블랙홀 쌍성 병합을 탐지할 수 있다. 2023년에는 펄서 타이밍 배열을 이용한 중력파 배경 증거가 발견되었으며, 초대질량 블랙홀 쌍성이 유력한 근원으로 추정된다.

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중력파 배경
개요
유형	우주론적 배경
파장 범위	매우 넓음
기원	다양한 우주론적 과정
탐지 방법	펄서 타이밍 어레이 (PTA), 중력파 검출기 (예: LIGO)
특징
지속적인 신호	낮은 주파수에서 지속적인 중력파 신호
중첩	수많은 독립적인 소스에서 방출된 중력파의 중첩
공간적 등방성	평균적으로 모든 방향에서 동일한 특성을 보임
주요 소스 후보
초거대 질량 블랙홀 쌍성	은하 병합 과정에서 형성
초기 우주 과정	우주 인플레이션, 우주 끈, 위상 결함
기타 소스	해결되지 않은 은하 이중 블랙홀, 기타 우주론적 현상
과학적 중요성
우주론 연구	초기 우주 및 블랙홀 진화에 대한 정보 제공
새로운 물리 현상 탐색	기존 모델로 설명할 수 없는 현상 탐색 가능성
중력파 천문학	중력파 천문학의 새로운 창을 열어줌
현재 연구
탐지 노력	전 세계 펄서 타이밍 어레이 (PTA) 협력 연구 진행 중
데이터 분석	탐지된 신호의 특성 분석 및 소스 식별
이론적 모델링	다양한 소스에 대한 이론적 모델 개발 및 예측

2. 확률적 배경의 근원

확률적 중력파 배경은 크게 우주론적 근원과 천체물리학적 근원으로 나눌 수 있다.^[4] 우주론적 근원은 초기 우주에서 발생하며, 천체물리학적 근원은 상대적으로 최근에 발생한 천체들의 활동으로 발생한다.

각 근원에 대한 자세한 내용은 다음과 같다.

'''우주론적 근원:''' 초기 우주에서 발생한 사건들로, 인플레이션, 예열, 우주론적 상전이, 우주 끈 등이 있다.
'''천체물리학적 근원:''' 별의 붕괴, 초신성 폭발, 중성자별의 불안정성, 쌍성 블랙홀 합병 등 천체물리학적 현상으로 발생한다.

펄서 타이밍 어레이(PTA)를 이용한 관측 방법도 있다. 유럽 펄서 타이밍 어레이(EPTA), 북미 나노헤르츠 중력파 관측소(NANOGrav), 파크스 펄서 타이밍 어레이(PPTA)는 국제 펄서 타이밍 어레이로 협력하여 은하 규모의 밀리초 펄서 배열을 모니터링한다. 이는 나노헤르츠에서 100나노헤르츠 범위의 낮은 주파수를 가진 중력파를 감지할 수 있다.^[6]

초대질량 블랙홀은 은하 중심에서 발견되며, 질량은 10⁵–10⁹ 태양 질량 정도이다. 은하가 합병될 때 중심에 있는 초대질량 블랙홀도 합병될 것으로 예상되며,^[7] 이러한 초대질량 이중체는 가장 큰 저주파 중력파 신호를 생성하며, PTA로 탐지 가능한 나노헤르츠 중력파 배경의 잠재적 소스이다.^[8]

2. 1. 우주론적 근원

확률적 배경의 근원은 크게 우주론적 근원과 천체물리학적 근원으로 나눌 수 있다. 우주론적 배경은 초기 우주의 여러 근원에서 발생할 수 있다. 이러한 원시 근원의 몇 가지 예로는 초기 우주의 시간 변화하는 급팽창적 스칼라장, 인플레이션 이후 인플라톤 입자에서 일반 물질로의 에너지 전달과 관련된 "예열" 메커니즘, 초기 우주의 우주론적 상전이(전자기 상전이 등), 우주 끈 등이 있다.^[1] 이러한 근원들은 더 가설적이지만, 이러한 근원으로부터의 원시 중력파 배경의 탐지는 새로운 물리학의 주요 발견이 될 것이며, 초기 우주 우주론과 고에너지 물리학에 심오한 영향을 미칠 것이다.^[1]

2. 2. 천체물리학적 근원

천체물리학적 중력파 배경은 다수의 약하고 독립적이며 해결되지 않은 천체물리학적 사건들이 중첩되어 발생한다.^[21] 예를 들어, 항성 질량 쌍성 블랙홀 병합은 현재 세대의 지상 기반 중력파 탐지기에서 탐지 가능한 확률적 배경의 주요 원인으로 예상된다. LIGO와 VIRGO 간섭계는 이미 그러한 블랙홀 병합에서 개별적인 중력파 사건들을 탐지했다. 그러나 개별적으로 분해할 수 없는 대규모 집단의 합병들도 존재하여 탐지기에 무작위적인 잡음을 생성한다.

개별적으로 분해할 수 없는 다른 천체물리학적 현상들도 중력파 배경을 생성할 수 있다. 예를 들어, 항성 진화의 마지막 단계에서 충분히 무거운 별은 붕괴하여 블랙홀이나 중성자별을 형성하는데, 폭발적인 초신성 사건의 마지막 순간에 급격한 붕괴가 발생하면 이론적으로 중력파가 방출될 수 있다. 또한, 고속으로 회전하는 중성자별에는 중력파 방출로 인해 발생하는 여러 종류의 불안정성들이 있다.

이러한 소스들의 특성은 신호의 민감한 주파수 대역에 따라 달라진다. LIGO 및 VIRGO 간섭계와 같은 현세대 지상 기반 실험들은 약 10 Hz ~ 1000 Hz의 오디오 주파수 대역에서 민감하게 작동한다. 이 대역에서 확률론적 중력파 배경의 가장 가능성이 높은 소스는 쌍성 중성자별과 항성 질량 쌍성 블랙홀 병합에서 나오는 천체물리학적 배경일 것이다.^[22]

다른 관측 수단으로는 펄서 타이밍 배열(PTA)을 사용하는 방법이 있다. 유럽 펄서 타이밍 배열(EPTA), 북미 나노헤르츠 중력파 관측소(NANOGrav) 및 파크스 펄사 타이밍 배열(PPTA)은 국제 펄서 타이밍 어레이로서 협력하고 있다. 이들은 전파 망원경을 사용하여 나노헤르츠에서 100나노헤르츠 범위의 낮은 주파수로 중력파에 민감한 은하 규모의 검출기를 형성하는 밀리초 펄사 배열을 모니터링한다.

3. 주파수 대역별 중력파 배경

중력파 배경은 주파수 대역에 따라 그 특성이 달라진다. 중력파 배경의 잠재적 근원들은 다양한 관심 주파수 대역에서 가설이 세워지며, 각 근원은 서로 다른 통계적 특성을 가진 배경을 생성한다. 확률적 배경의 근원은 크게 우주론적 근원과 천체 물리학적 근원의 두 가지 범주로 나눌 수 있다.

3. 1. 고주파 대역 (10 Hz ~ 1000 Hz)

LIGO 및 Virgo와 같은 현재 세대의 지상 기반 실험은 대략 10 Hz에서 1000 Hz 사이의 오디오 주파수 대역에서 중력파에 민감하다. 이 대역에서 확률적 배경의 가장 유력한 소스는 쌍성 중성자별 및 항성 질량 블랙홀 병합에서 발생하는 천체 물리학적 배경일 것이다.^[5]

3. 2. 저주파 대역 (나노헤르츠 ~ 100 나노헤르츠)

펄서 타이밍 배열(PTA)을 이용하면 나노헤르츠에서 100나노헤르츠 범위의 낮은 주파수를 가진 중력파를 관측할 수 있다. 유럽 펄서 타이밍 배열(EPTA), 북미 나노헤르츠 중력파 관측소(NANOGrav), 파크스 펄서 타이밍 배열(PPTA)은 국제 펄서 타이밍 어레이를 통해 협력하여 관측을 진행한다.^[6] 이들은 전파 망원경을 사용하여 밀리초 펄서 배열을 관찰하며, 여러 해 동안의 관측을 통해 신호를 감지하고 감지기 감도를 점차적으로 향상시킨다.^[6]

이 주파수 대역에서는 은하 중심에 존재하는 10⁵–10⁹ 태양 질량의 초대질량 블랙홀 쌍성이 병합하며 발생하는 중력파 배경이 주요 탐지 대상이다.^[7]^[8] 은하가 합병될 때 중심에 있는 초대질량 블랙홀도 합병될 것으로 예상되며, 이러한 초대질량 이중체는 가장 큰 저주파 중력파 신호를 생성할 수 있다.^[7]^[8]

4. 중력파 배경 탐지

2016년 2월 11일, LIGO와 VIRGO 공동 연구팀은 2015년 9월에 발생한 두 블랙홀의 충돌로 인한 중력파를 최초로 직접 탐지했다고 발표했다. 이는 중력파 배경(GWB) 탐지의 잠재적인 첫 단계였다.

2023년 6월 28일, 북미 나노헤르츠 중력파 관측소는 밀리초 펄서 배열의 관측 데이터를 이용하여 중력파 배경(GWB)의 증거를 발견했다고 발표했다.^[11]^[12] EPTA^[13], 파크스 천문대^[14], CPTA^[15]^[16]도 같은 날 다른 망원경과 분석 방법을 통해 얻은 중력파 배경(GWB) 증거를 발표하여 상호 검증을 제공했다.^[17] 이 관측들은 이론적인 헬링스-다운스 곡선의 첫 번째 측정을 제공했는데, 이는 하늘에서 두 펄서 사이의 각도 분리에 따른 사극성 상관 관계로, 관측된 배경이 중력파에서 기원했음을 보여주는 명백한 증거이다.^[18]^[19]

현재까지 관측된 중력파 배경의 정확한 근원은 아직 밝혀지지 않았지만, 초대질량 블랙홀 쌍성이 유력한 후보로 거론되고 있다.^[1]

참조

_[1] 뉴스 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 https://www.scientif[...] 2023-08-04
_[2] 학술지 Primordial Gravitational Waves and Cosmology https://www.science.[...] 2010-05-21
_[3] 학술지 Stochastic gravitational wave backgrounds https://iopscience.i[...] 2018-11-21
_[4] 학술지 Detection methods for stochastic gravitational-wave backgrounds: a unified treatment
_[5] 학술지 GW170817: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Compact Binary Coalescences 2018-02-28
_[6] 학술지 Systematic investigation of the expected gravitational wave signal from supermassive black hole binaries in the pulsar timing band 2013-05-22
_[7] 학술지 The Assembly and Merging History of Supermassive Black Holes in Hierarchical Models of Galaxy Formation 2003-01-10
_[8] 학술지 The stochastic gravitational-wave background from massive black hole binary systems: implications for observations with Pulsar Timing Arrays 2008-10-11
_[9] 웹사이트 Focus on NANOGrav's 15 yr Data Set and the Gravitational Wave Background https://iopscience.i[...] 2023-06-29
_[10] 웹사이트 After 15 years, pulsar timing yields evidence of cosmic gravitational wave background http://news.berkeley[...] 2023-06-29
_[11] 뉴스 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. https://www.nytimes.[...] 2023-06-29
_[12] 학술지 The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background 2023-06-01
_[13] 학술지 The second data release from the European Pulsar Timing Array 2023-06-28
_[14] 학술지 Search for an Isotropic Gravitational-wave Background with the Parkes Pulsar Timing Array 2023-06-29
_[15] 학술지 Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I https://doi.org/10.1[...] 2023-06-29
_[16] 웹사이트 Probing the Universe's Secrets: Key Evidence for NanoHertz Gravitational Waves https://scitechdaily[...] Chinese Academy of Sciences 2023-07-02
_[17] 학술지 Researchers Capture Gravitational-Wave Background with Pulsar "Antennae" Physics 16, 118 (29 June 2023)
_[18] 학술지 Understanding the gravitational-wave Hellings and Downs curve for pulsar timing arrays in terms of sound and electromagnetic waves https://pubs.aip.org[...] 2015-07-01
_[19] arXiv Answers to frequently asked questions about the pulsar timing array Hellings and Downs curve 2024-01-30
_[20] 간행물 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 https://www.scientif[...] Scientific American 2023-08-04
_[21] 간행물 Detection methods for stochastic gravitational-wave backgrounds: a unified treatment https://www.ncbi.nlm[...] Living Rev Relativ 2017
_[22] 저널
_[23] 간행물 Understanding the gravitational-wave Hellings and Downs curve for pulsar timing arrays in terms of sound and electromagnetic waves https://pubs.aip.org[...] American Journal of Physics 2015-07-01

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