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Einstein@Home

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1. 개요

Einstein@Home은 중력파 존재를 증명하고 펄서와 같은 천체를 탐색하기 위해 개발된 분산 컴퓨팅 프로젝트이다. 이 프로젝트는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 검증하고 중력파를 직접 검출하는 것을 목표로 한다. LIGO, GEO의 데이터를 분석하며, 2009년부터는 아레시보 천문대의 전파 망원경 데이터를, 2011년부터는 페르미 감마선 우주 망원경의 데이터를 활용하여 펄서를 탐색한다. 프로젝트 참여자는 BOINC 매니저를 통해 분석 애플리케이션을 다운로드하고, 컴퓨터의 남는 자원을 활용하여 데이터 분석에 기여할 수 있다. Einstein@Home은 다양한 과학적 출판물을 통해 연구 결과를 발표해왔으며, 중력파, 펄서 탐색 등 다양한 연구에 기여하고 있다.

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Einstein@Home - [IT 관련 정보]에 관한 문서
개요
유형분산 컴퓨팅 프로젝트
목적LIGO의 데이터를 분석하여 중력파를 탐지
개발막스 플랑크 협회(MPG)
출시일2005년 2월 19일
운영체제크로스 플랫폼
플랫폼BOINC
라이선스GPL-2.0-or-later
상태활성
웹사이트Einstein@Home
성능7659.0 테라플롭스(2023년 12월)
활성 사용자16,069명
총 사용자1,048,317명
활성 호스트34,751대
총 호스트8,140,803대
Einstein@Home 스크린세이버
Einstein@Home 스크린세이버
상세 내용
설명Einstein@Home은 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 데이터를 분석하여 중력파를 탐지하는 BOINC 기반 분산 컴퓨팅 프로젝트이다.
주요 발견펄사 발견
프로젝트 기여새로운 젊은 감마선 펄서 발견
첫 번째 발견 10주년10주년 기념

2. 과학적 목적

Einstein@Home 프로젝트의 핵심 과학적 목표는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 예측하는 중력파를 직접 검출하고, 이를 통해 우주를 이해하는 새로운 창을 여는 것이다.[11] 이론에 따르면 펄사블랙홀과 같이 매우 큰 질량을 가진 천체는 시공간을 뒤흔드는 중력파를 방출해야 하지만, 아직 명확한 직접 검출 증거는 확보되지 않았다. 중력파는 거의 모든 물질을 통과하는 특성이 있어, 만약 발견된다면 암흑 물질 등으로 가려진 은하 중심부나 별 내부를 관측하는 획기적인 수단이 될 수 있다.

이러한 목표를 달성하기 위해 Einstein@Home은 크게 세 가지 방향의 탐색을 수행한다.

1. 중력파 탐색: 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 데이터를 사용하여 회전하는 중성자별 등에서 방출될 것으로 예상되는 연속 중력파(Continuous Wave, CW) 신호를 찾는다.[11][85]

2. 전파 펄서 탐색: 푸에르토리코아레시보 천문대와 과거 파크스 천문대의 전파 관측 데이터를 분석하여 새로운 전파 펄서를 찾는다.[13][87][15][89]

3. 감마선 펄서 탐색: 페르미 감마선 우주 망원경의 대형 면적 망원경(LAT) 데이터를 분석하여 감마선으로만 주기적인 신호를 보내는 감마선 펄서를 찾는다.[17][91]

이러한 다각적인 탐색 활동은 중성자별천체물리학적 특성, 초고밀도 상태의 물질 연구, 그리고 우주의 구조와 진화를 이해하는 데 중요한 기여를 하고 있다.

2. 1. 중력파 탐색

Einstein@Home의 주요 목표 중 하나는 하늘 전체를 대상으로 중력파의 존재를 직접 실증하는 것이다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 질량을 가진 모든 물체는 중력파를 발생시키며, 특히 펄사블랙홀처럼 매우 강한 중력을 가진 천체는 더 강력한 중력파를 방출할 것으로 예측된다. 지금까지 태양의 중력에 의한 별빛의 휨, 수성의 근일점 이동, 은하단에 의한 중력 렌즈 현상 등 일반 상대성 이론을 뒷받침하는 여러 증거가 발견되었기에, 중력파 역시 발견될 것이라는 기대 속에 연구가 진행되고 있다. 만약 중력파가 발견된다면, 이는 일반 상대성 이론의 정확성을 다시 한번 입증하는 동시에, 거의 모든 물질을 통과하는 중력파의 특성을 이용해 암흑 물질 등으로 관측이 어려웠던 은하 중심부나 별의 내부를 관측할 새로운 창을 열어줄 수 있다.

Einstein@Home 프로젝트는 원래 미국 워싱턴 주와 루이지애나 주에 위치한 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 탐지기 데이터를 사용하여, 아직 알려지지 않은 연속 중력파(Continuous Wave, CW) 방출원을 찾는 전천(全天) 탐색을 수행하기 위해 만들어졌다.[11][85] 연속 중력파를 방출할 가능성이 가장 높은 천체는 빠르게 회전하는 중성자별(펄사 포함)이며, 이들이 완벽한 회전 대칭에서 벗어나 있다면 중력파를 방출할 것으로 예상된다.[12][86] 중력파의 직접 검출은 일반 상대성 이론 검증 외에도 중요한 새로운 천문학적 관측 수단이 될 것이다. 대부분의 중성자별은 전자기파로는 관측되지 않으므로, 중력파 관측은 완전히 새로운 중성자별 집단을 밝혀낼 가능성이 있다. 연속 중력파 검출은 중성자별 천체물리학 연구에 크게 기여하며, 물질의 거시적 운동을 조사하여 고밀도 상태의 물질 본질에 대한 독특한 통찰력을 제공할 수 있다.[12][86]

2009년 3월부터는 프로젝트 계산 능력의 일부를 푸에르토리코아레시보 천문대에서 PALFA 컨소시엄이 수집한 전파 관측 데이터를 분석하는 데에도 사용하고 있다.[13][87] 이 탐색은 특히 서로 매우 가깝게 공전하는 쌍성계에 속한 전파 펄서를 찾는 것을 목표로 한다.[14][88] 이론적으로 지구에서 관측 가능한 범위 내에 공전 주기가 1시간 미만인 쌍성 전파 펄서가 존재할 것으로 예측된다.[16][90] 유사한 탐색은 파크스 다파장 펄서 서베이(Parkes Multi-beam Pulsar Survey)에서 얻어진 두 개의 아카이브 데이터셋을 대상으로도 수행되었다.[15][89] 이러한 Einstein@Home의 전파 펄서 탐색에는 중력파 탐색을 위해 개발된 수학적 기법들이 활용된다.[16][90]

2011년 7월 이후 Einstein@Home은 페르미 감마선 우주 망원경의 주요 관측 장비인 대형 면적 망원경(Large Area Telescope, LAT) 데이터를 분석하여, 회전하는 중성자별에서 방출되는 감마선 펄스(감마선 펄서)를 찾는 작업도 수행하고 있다.[17][91] 일부 중성자별은 전파 방출 영역과는 다른 자기권 영역에서 발생하는 감마선 펄스를 통해서만 탐지될 수 있다. 일반적인 감마선 펄서의 경우, 중성자별이 수십억 번 회전하는 동안 LAT가 감지하는 감마선 광자는 기껏해야 수천 개에 불과하므로, 이 관측 데이터만으로 중성자별의 정확한 회전 주기를 결정하는 것은 계산적으로 매우 어렵다.[18][92] Einstein@Home은 LAT 데이터 분석에도 연속 중력파 탐색을 위해 초기에 개발된 기법들을 사용한다.

2. 2. 전파 펄서 탐색

2009년 3월부터 Einstein@Home의 컴퓨팅 자원 일부는 푸에르토리코아레시보 천문대에서 PALFA(Pulsar Arecibo L-band Feed Array) 컨소시엄이 수집한 데이터를 분석하는 데 사용되기 시작했다.[13][87] 이 탐색은 특히 공전 주기가 짧은 쌍성계에 속한 전파 펄서를 찾는 것을 목표로 한다.[14][88] 지구에서 탐지 가능한 범위 내에 1시간 미만의 공전 주기를 가진 쌍성 전파 펄서가 최소 하나는 존재할 것으로 예측되었다.[16][90] 이와 유사한 탐색은 파크스 천문대의 다중빔 펄서 서베이(Parkes Multi-beam Pulsar Survey)에서 얻은 두 개의 아카이브 데이터 세트를 대상으로도 수행되었다.[15][89] Einstein@Home의 전파 펄서 탐색에는 중력파 탐색을 위해 개발된 수학적 기법들이 활용된다.[16][90]

2009년 11월 26일, 아레시보 쌍성 펄서 검색을 위한 CUDA 최적화 애플리케이션이 공개되었다. 이 애플리케이션은 일반 CPU와 NVIDIA GPU를 함께 사용하여 분석 속도를 이전보다 최대 50%까지 향상시켰다.[43]

2010년 8월 12일, Einstein@Home 프로젝트는 새로운 유형의 교란된 쌍성 펄서인 PSR J2007+2722의 발견을 발표했다.[44][77][122] 이는 당시까지 발견된 것 중 가장 빠르게 회전하는 펄서일 가능성이 있으며,[3] 자원봉사자의 분산 컴퓨팅 프로젝트를 통해 발견된 최초의 전파 펄서 사례가 되었다.[77][122]

2011년 3월 1일에는 두 번째 발견인 쌍성 펄서 시스템 PSR J1952+2630이 발표되었다.[45] 2012년 5월 15일까지는 ATI/AMD 그래픽 카드를 위한 새로운 OpenCL 기반 애플리케이션이 출시되어, 일반 CPU보다 약 10배 빠른 분석 속도를 보였다.

2013년 7월 22일에는 전파 펄서 검색을 위한 안드로이드 애플리케이션 버전이 발표되어, 모바일 환경에서도 아레시보 천문대 데이터 처리에 참여할 수 있게 되었다.[46] 같은 해 8월 20일에는 파크스 다중빔 펄서 서베이 데이터의 재분석을 통해, 이전 분석에서 놓쳤던 24개의 새로운 펄서를 발견했다고 발표했다. 이 중 6개는 쌍성계에 속하는 것으로 확인되었다.[47]

2016년 11월 4일에는 PALFA 데이터 분석을 통해 이중 중성자별 쌍성계인 PSR J1913+1102를 발견했다고 발표했다. 이 시스템은 중성자별 동반성과 4.95시간의 주기로 공전하며, 상대론적 근일점 세차운동 측정을 통해 시스템의 총 질량이 태양 질량의 2.88배로 결정되었다. 이는 가장 무거운 이중 중성자별 시스템 중 하나인 PSR B1913+16과 비슷한 질량이다.[48]

2021년 8월, PALFA 컨소시엄은 Einstein@Home을 통해 발견된 13개의 전파 펄서에 대한 시간 분석 결과를 발표했다.[49] 2023년 10월 31일에는 시민 과학 플랫폼인 Zooniverse에서 "펄서 탐색자(Pulsar Seekers)"라는 새로운 프로젝트를 시작했다.[50] 이 프로젝트는 시민 과학자들이 Einstein@Home이 아레시보 PALFA 데이터 분석을 통해 생성한 펄서 후보들의 진단 플롯을 시각적으로 검토하고 분류하여 새로운 펄서를 식별하는 것을 목표로 한다.[51]

2023년 12월 기준으로, Einstein@Home 프로젝트는 총 55개의 전파 펄서를 발견했다. 이 중 24개는 파크스 다중빔 서베이 데이터를 통해, 31개는 아레시보 전파 데이터를 통해 발견되었다 (아레시보 쌍성 전파 펄서 검색에서 2개, PALFA 모의 분광계 데이터에서 29개 포함).[4][52][53][54][78][79][80]

2. 3. 감마선 펄서 탐색

2011년 7월부터 Einstein@Home은 페르미 감마선 우주 망원경의 주요 장비인 대형 면적 망원경(LAT)의 데이터를 분석하여, 회전하는 중성자별(감마선 펄서)에서 방출되는 펄스 감마선을 찾는 연구를 시작했다.[17][55][91] 일부 중성자별은 전파 방출 없이 주기적인 감마선 방출을 통해서만 감지될 수 있는데, 이 감마선은 전파가 방출되는 영역과는 다른 중성자별의 자기권 영역에서 발생한다.[17][91] 일반적인 감마선 펄서의 경우, 수십억 번 회전하는 동안 LAT에서 감지되는 감마선 광자는 수천 개에 불과하기 때문에 중성자별의 회전 속도를 알아내는 것은 계산적으로 매우 어려운 작업이다.[18][92] Einstein@Home은 LAT 데이터 분석에 중력파 탐색을 위해 처음 개발되었던 방법을 활용한다.[18][92]

Einstein@Home 프로젝트는 감마선 펄서 탐색에서 다음과 같은 주요 성과를 거두었다.

  • 2013년 11월 26일, 프로젝트는 LAT 데이터 분석을 통해 젊은 감마선 펄서 4개를 발견했다고 발표되었다.[56] 이 펄서들은 모두 우리 은하 평면에 위치하며, 스핀 주파수는 10 Hz 미만이고 특성 연령은 35,000년에서 56,000년 사이로 추정된다. 이 펄서들에서는 전파 방출이 감지되지 않았다.
  • 2015년 8월 4일에는 감마선 펄서 PSR J1906+0722의 발견이 발표되었다.[57][58] 이 천체는 2012년부터 LAT에서 관측된 감마선 광자의 에너지 분포를 통해 펄서일 가능성이 제기되었는데, 이번 발견으로 그 특성이 확인되었다. 이 펄서는 젊고 에너지가 넘치며, 2009년 8월에는 감마선 펄서에서 관측된 가장 큰 글리치 중 하나를 겪었다. 후속 탐색에서도 전파 펄스는 감지되지 않아, PSR J1906+0722는 전파 방출이 없는 펄서로 보인다. 이 발견과 함께 천체물리학적 매개변수를 더 정확하게 추론하기 위해 감마선 펄스 도착 시간을 측정하는 개선된 방법이 도입되었다.
  • 2016년 11월 16일에는 알려진 가장 젊은 전파 미방출 감마선 펄서인 PSR J1208−6238의 발견 및 시간 측정 결과가 발표되었다.[59] 추정 연령은 2,700년이지만, 이와 관련된 초신성 잔해나 펄서풍 성운은 확인되지 않았다.
  • 2017년 1월 11일, 페르미-LAT 카탈로그에 등재된 118개의 미확인 펄서 유사 천체에 대한 조사의 첫 결과가 발표되어, 총 13개의 새로운 펄서가 발견되었다.[60] 이 펄서들 대부분은 수십만 년 전 초신성 폭발로 형성된 젊은 펄서들이다. 이 발견과 조사 방법은 관련된 두 편의 논문 중 첫 번째 논문에 발표되었다. 두 번째 논문에서는 발견된 13개의 감마선 펄서 중 2개에서 희미한 전파 펄스를 감지했다고 보고하고, 다양한 기하학적 방출 모델을 사용하여 감마선 및 전파 펄스 프로파일을 분석했다.[61]
  • 2018년 2월 28일에는 밀리초 펄서 2개의 발견이 발표되었다.[62][63] 하나인 PSR J1035−6720은 348 Hz로 회전하며 후속 탐색에서 전파 펄스가 감지되었다. 다른 하나인 PSR J1744−7619는 지금까지 발견된 최초의 전파 미방출 밀리초 펄서이다. 이 발표와 함께 프로젝트는 궤도 매개변수 때문에 발견이 더 어려운 쌍성계 내 감마선 펄서 탐색도 진행 중이라고 밝혔다.[63]
  • 2020년 10월 22일, Einstein@Home은 쌍성계에서 처음으로 감마선 펄서를 발견했다고 발표되었다.[64][65] PSR J1653-0158은 약 두 배의 태양 질량을 가진 중성자별로, 508 Hz라는 매우 빠른 회전 속도를 가지며, 태양 질량의 1%에 불과한 동반성과 함께 75분이라는 짧은 주기로 공전한다. 이는 유사한 쌍성계 중 가장 짧은 공전 주기이다. 이 발견은 쌍성 궤도 매개변수를 고려하도록 수정된 GPU 가속 검색 코드를 사용하여 이루어졌다. 후속 탐색에서 전파는 발견되지 않았으며, 중력파 탐색에서도 해당 펄서로부터의 방출은 검출되지 않았다. 이 펄서는 강력한 방사선과 입자 바람으로 동반성을 증발시키는 블랙 위도우 펄서 유형에 속한다. 침식된 물질이 쌍성계 주위에 플라스마 구름을 형성하여 전파를 흡수하지만 감마선은 통과시킨다.
  • 2021년 2월 2일에는 또 다른 특이한 쌍성계에서 감마선 펄서 발견이 보고되었다.[66][67] 이 시스템은 원래 레드백 펄서로 추정되었으나 중성자별의 펄스는 관측되지 않았었다. 연구팀은 동반성의 광학 관측을 통해 시스템의 궤도 매개변수를 제한한 뒤, Einstein@Home을 이용한 감마선 펄스 탐색을 통해 377 Hz로 회전하는 저질량 펄서를 발견했다. 이 펄서는 태양 질량의 약 5분의 1인 동반성과 5.5시간 주기로 공전한다. 감마선 펄스의 정밀한 시간 측정 결과, 최대 10밀리초에 달하는 예측 불가능한 궤도 주기 변화가 밝혀졌는데, 이는 동반성의 자기 활동으로 인한 질량 분포 변화가 펄서의 궤도에 영향을 미치기 때문일 수 있다.
  • 2021년 6월 15일, 프로젝트는 페르미-LAT 데이터에서 이전에 알려지지 않았던 감마선 펄서 14개를 추가로 발견했다고 발표되었다.[68]


2023년 11월에는 세 번째 페르미 대형 면적 망원경 감마선 펄서 카탈로그가 발표되었다.[69] 이 카탈로그에는 Einstein@Home이 발견한 펄서 39개와, Einstein@Home의 방법을 사용하여 대형 컴퓨팅 클러스터에서 발견한 펄서 14개를 포함한다.[70] 또한 이 카탈로그에는 Einstein@Home의 향후 감마선 펄서 탐색 대상이 될 수 있는 후보 거미 펄서 시스템 13개가 포함되어 있다.

2023년 12월 기준으로, Einstein@Home 프로젝트는 페르미 LAT 데이터를 분석하여 총 39개의 감마선 펄서를 발견했다.[4]

3. 데이터 분석 및 결과

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Einstein@Home 스크린세이버


Einstein@Home 프로젝트는 전 세계 자원봉사자들의 컴퓨터 계산 능력을 모아 중력파와 펄서를 탐색하는 분산 컴퓨팅 프로젝트이다. 이를 위해 LIGO, 아레시보 천문대, 페르미 감마선 우주 망원경 등 대형 관측 장비로부터 얻어진 방대한 데이터를 분석한다.

주요 분석 대상 중 하나는 LIGO와 같은 중력파 검출기의 데이터이다. 프로젝트 초기부터 LIGO 데이터 분석을 통해 중성자별 등에서 방출될 것으로 예상되는 연속 중력파(CW) 신호를 탐색해왔다. LIGO 검출기의 감도가 지속적으로 향상되고 Einstein@Home의 분석 알고리즘 또한 꾸준히 개선되면서, 중력파 탐색 감도는 프로젝트 시작 이후 수십 배 이상 높아졌다.[19] 비록 아직 천체물리학적 기원의 명확한 중력파 신호는 발견되지 않았지만, 분석 결과를 통해 특정 주파수 대역에서 중력파 신호 강도의 상한값을 설정함으로써 중성자별의 물리적 특성 연구에 중요한 기여를 하고 있다.[104][108][40]

또한, Einstein@Home은 아레시보 천문대파크스 천문대전파 관측 데이터를 분석하여 새로운 펄서를 찾고 있다. 2009년부터 시작된 이 분석 작업은 중력파 데이터 분석을 위해 개발된 정교한 기법을 활용하며[90], 특히 쌍성계를 이루고 있는 펄서 탐색에 중점을 둔다. 분산 컴퓨팅의 막대한 계산 능력을 바탕으로 기존의 분석 방법으로는 찾아내기 어려웠던 희미한 신호들을 발견하는 성과를 거두었으며, 2010년에는 프로젝트 최초의 새로운 전파 펄서(PSR J2007+2722)를 발견하기도 했다.[77][122]

2011년부터는 페르미 감마선 우주 망원경의 관측 데이터를 분석하여 감마선 영역에서 펄스를 방출하는 펄서를 탐색하기 시작했다.[91] 일부 중성자별은 전파 대신 감마선으로만 관측되거나, 감마선 관측을 통해 그 특성이 더 잘 드러나기도 한다. Einstein@Home은 감마선 데이터 분석에서도 중력파 분석 기법을 응용하여[92], 전파로는 관측되지 않는 펄서, 밀리초 펄서, 그리고 특이한 쌍성계에 속한 펄서 등 다양한 종류의 감마선 펄서를 다수 발견했다.[132][138]

이러한 지속적인 데이터 분석 노력을 통해 Einstein@Home 프로젝트는 2023년 12월 기준으로 총 55개의 전파 펄서와 39개의 감마선 펄서를 발견하는 등 천문학 연구에 상당한 기여를 하고 있다.[4] 프로젝트는 새로운 관측 데이터와 개선된 분석 기법을 통해 앞으로도 중력파와 펄서 탐색을 계속해 나갈 예정이다.

3. 1. 중력파 데이터 분석

Einstein@Home 프로젝트는 LIGO, GEO와 같은 중력파 검출기가 수집한 방대한 데이터를 분석하여 중력파를 직접 검출하는 것을 주요 목표 중 하나로 삼는다.[85] 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 질량을 가진 모든 물체는 중력파를 발생시키며, 특히 중성자별(펄사 포함)이나 블랙홀처럼 질량이 매우 크거나 비대칭적으로 빠르게 회전하는 천체는 탐지 가능한 수준의 연속 중력파(Continuous Wave, CW)를 방출할 수 있다. 이러한 연속 중력파를 검출하는 것은 일반 상대성 이론을 검증하는 중요한 단계이며, 천문학 연구에 있어 전자기파 관측을 보완하는 새로운 창을 열 것으로 기대된다.[85] 중력파는 물질과 거의 상호작용하지 않고 통과하는 성질이 있어, 암흑 물질 등에 가려져 기존 방법으로는 관측하기 어려웠던 은하계 중심부나 별의 내부 구조 등을 연구할 새로운 기회를 제공할 수 있다.

Einstein@Home은 LIGO 등으로부터 받은 데이터를 주로 고속 푸리에 변환(FFT)과 매칭 필터(matched filtering) 등의 정교한 분석 기법을 사용하여 처리한다. 프로젝트가 진행되면서 LIGO 검출기의 감도가 지속적으로 향상되었고, Einstein@Home의 분석 알고리즘 역시 꾸준히 개선되어 전체적인 탐색 감도는 초기에 비해 크게 높아졌다. 자원봉사자들의 분산 컴퓨팅 파워를 활용하여 방대한 데이터 속에서 미약한 중력파 신호를 효율적으로 탐색하고 있다.

지금까지의 분석을 통해 천체물리학적 기원의 명확한 연속 중력파 신호는 아직 발견되지 않았지만, 탐색 결과는 특정 주파수 대역에서 중력파 신호 강도의 상한값을 설정하는 데 중요한 기여를 하고 있다. 이는 중성자별의 물리적 특성(예: 이심률)이나 우리은하 내 중성자별의 분포 등에 대한 이해를 심화시키는 데 도움을 준다.[104][105][107][108][113][40] 또한, 전천(all-sky) 탐색 외에도 카시오페이아자리 A와 같은 특정 초신성 잔해를 대상으로 하는 지향 탐색도 수행하여 중력파 탐색의 효율성을 높이고 있다.[32][37][38] 이러한 지속적인 노력은 향후 중력파 직접 검출 가능성을 높이고 중력파 천문학 시대를 여는 데 기여하고 있다.

3. 1. 1. 초기 분석 (S3, S4)



Einstein@Home은 LIGO 장비의 데이터를 사용하여 많은 분석을 수행해 왔다. 2005년 첫 탐색 실행 이후, LIGO 검출기의 감도는 여러 단계의 업그레이드를 통해 향상되었으며, 이는 현재의 어드밴스드 LIGO에서도 계속되고 있다. 동시에 Einstein@Home의 검색 알고리즘도 개선되어, 이러한 노력들을 통해 검색 감도는 수십 배 향상되었다.

Einstein@Home의 첫 번째 분석[19][94]은 LIGO의 "세 번째 과학 실행"(S3) 데이터를 사용했다. S3 데이터 세트의 처리는 2005년 2월 22일부터 2005년 8월 2일까지 이루어졌다. 이 분석에서는 워싱턴주 핸퍼드 사이트에 있는 LIGO Hanford 4km 검출기의 데이터 중 각각 10시간 분량의 관측 데이터 세그먼트 60개를 사용했다. 각 10시간 세그먼트는 자원봉사자 컴퓨터에서 매칭 필터 기법을 사용하여 연속파(CW) 신호가 분석되었다. 모든 매칭 필터링 결과가 반환되면, 다른 세그먼트의 결과는 Einstein@Home 서버의 "후처리 단계"에서 일치 기법(coincidence method)을 통해 결합되어 검색 감도를 더욱 향상시켰다. 결과는 Einstein@Home 웹 페이지에 공개되었다.[20][95]

핸퍼드에 있는 LIGO 간섭계


S4 데이터 세트(LIGO의 네 번째 과학 실행)에 대한 작업은 S3 계산과 병행하여 시작되었으며 2006년 7월에 완료되었다. 이 분석에서는 LIGO Hanford 4km 검출기의 30시간 세그먼트 10개와 루이지애나주 리빙스턴에 있는 LIGO Livingston 4km 검출기의 30시간 세그먼트 7개를 사용했다. S4 데이터는 감도가 더 높았을 뿐만 아니라, 후처리 과정에서 더 민감한 일치 결합 방식이 적용되었다. 이 검색 결과는 Einstein@Home의 첫 번째 과학 논문으로 이어져 물리학 저널인 ''피지컬 리뷰 D''에 게재되었다.[21][96]

Einstein@Home은 S4 데이터 세트 분석을 위한 최적화된 애플리케이션이 2006년 3월, 헝가리 프로그래머이자 프로젝트 자원봉사자인 아코스 페케테(Akos Fekete)에 의해 개발 및 출시되면서 국제 자원봉사 컴퓨팅 커뮤니티에서 상당한 주목을 받았다.[22][97] 페케테는 공식 S4 애플리케이션을 개선하여 SSE, 3DNow!, SSE3 최적화를 코드에 도입함으로써 성능을 최대 8배 향상시켰다.[23][98] 페케테는 이러한 공로를 인정받아 이후 새로운 S5 애플리케이션 개발에 Einstein@Home 팀과 공식적으로 참여하게 되었다.[24][99] 2006년 7월 말, 이 새로운 공식 애플리케이션이 Einstein@Home 사용자들에게 널리 배포되었다. 이 앱은 부동소수점 연산 속도(FLOPS) 기준으로 측정했을 때, 최적화되지 않은 기존 S4 애플리케이션에 비해 약 50%의 성능 향상을 가져왔으며, 프로젝트의 전체 성능과 생산성을 크게 증가시켰다.[25][100]

3. 1. 2. LIGO S5 데이터 분석

LIGO 검출기가 처음으로 설계 감도에 도달한 초기 S5 데이터 세트에 대한 분석은 2006년 6월 15일에 시작되었다. 이 분석(코드명 "S5R1")에서는 LIGO 핸퍼드(Hanford) 4km 검출기의 30시간 관측 데이터 22개 세그먼트와 리빙스턴(Livingston) 4km 검출기의 30시간 관측 데이터 6개 세그먼트를 사용했다. S5R1은 이전 S4 분석과 유사한 방법론을 사용했지만, 더 높은 품질의 데이터를 활용하여 감도가 향상되었다. 이 분석 결과는 과학 저널 ''피지컬 리뷰 D''에 게재되었으며, 당시까지 발표된 탐색 중 가장 포괄적인 것으로 평가받았다.[101]

S5 데이터를 사용한 두 번째 분석(코드명 "S5R3")은 탐색 감도 측면에서 또 한 번의 주요 개선을 이루었다.[102] 이전 분석들과 달리, S5R3에서는 하프 변환 기술을 사용하여 자원봉사자들의 컴퓨터에서 직접 결과들을 결합했다. 이 방식은 핸퍼드와 리빙스턴 4km 검출기에서 얻은 총 84개의 25시간 데이터 세그먼트의 매칭 필터 결과에 적용되었다.

2010년 5월 7일에는 크게 개선된 탐색 방법을 사용하는 새로운 분석(코드명 "S5GC1")이 시작되었다. 이 분석에서는 핸퍼드와 리빙스턴 4km 검출기의 25시간 데이터 세그먼트 총 205개를 사용했다. S5GC1은 전역적인 매개변수 공간의 상관 관계를 활용하여 서로 다른 데이터 세그먼트에서 얻은 매칭 필터 결과를 효율적으로 결합하는 기술을 사용했다.[86][103]

LIGO S5 데이터에서 연속 중력파(CW)를 찾는 Einstein@Home의 전천(all-sky) 탐색 결과는 2013년 2월 13일에 발표되었다.[104] 이 탐색에서는 의미 있는 중력파 신호가 발견되지 않았다. 가장 민감하게 탐색된 주파수 대역(152.5 헤르츠 주변의 0.5 Hz 폭)에서는, 상대 변형 진폭이 7.6×10−25보다 큰 주기적인 중력파 신호가 존재하지 않는다는 결론을 90% 신뢰 구간으로 내렸다.[105] 전반적으로 이 탐색은 이전의 S5 데이터 분석보다 감도가 3배 향상되었다. 이 연구에서 사용된 신호 후보를 식별하기 위한 2단계 후속 처리 절차의 세부 내용은 2014년 6월 25일에 발표되었다.[106]

또한, Einstein@Home은 LIGO S5 데이터를 사용하여 1249 헤르츠에서 1499 헤르츠 사이의 고주파 연속 중력파를 탐색했으며, 그 결과는 2016년 9월 26일에 발표되었다. 이는 LIGO 데이터를 이용한 유일한 고주파 대역 탐색이었다. 이 탐색에서도 신호 후보는 발견되지 않았으며, 결과적으로 지구로부터 100pc 이내에 있으면서 회전 주기가 1.3 밀리초에서 1.6 밀리초 사이이고 타원율(ellipticity)이 2.8×10−7보다 큰 중성자별은 존재하지 않는다고 90% 신뢰 구간으로 결론지었다.[107]

3. 1. 3. LIGO S6 데이터 분석

LIGO의 6번째 과학 운용(S6) 데이터를 분석한 결과는 2016년 11월 18일에 발표되었다.[31][108] 이 분석에서는 연속 중력파(CW) 신호가 검출되지 않았으며, 발표 시점에서 연속 중력파 전천 탐색에 대한 가장 엄격한 상한을 설정했다. 가장 민감한 주파수 대역인 170.5 Hz에서 171 Hz 사이에서는, 90% 신뢰 구간으로 진폭 5.5×10−25보다 큰 연속 중력파가 존재하지 않음을 확인했다. 또한 230 Hz 주파수에서는 지구로부터 100 파섹 이내에 있고 타원율이 10−6보다 큰 중성자별은 존재하지 않는다는 결론을 내렸다.

Einstein@Home은 초신성 잔해인 카시오페이아자리 A의 중심 천체에서 방출될 수 있는 연속 중력파를 탐색하는 연구도 수행했다.[32][109] 이 탐색에는 LIGO S6 데이터가 사용되었으며, 중심 천체의 정확한 자전 주파수를 알 수 없었기 때문에 50 Hz에서 1000 Hz까지 넓은 주파수 범위를 조사했다. 여기서도 신호는 발견되지 않았으나, 카시오페이아 A에서 나오는 중력파 강도의 상한을 당시까지 발표된 가장 엄격한 수준으로 갱신했으며, 이는 이전 상한보다 약 2배 낮은 값이었다.

2016년 12월 28일에는 LIGO S6 데이터에 대한 전천 탐색의 후속 분석 결과가 발표되었다.[33][110] 이전 탐색에서 도출된 약 3.8 × 1010개의 신호 후보 중에서 가능성이 높은 1600만 개를 4단계 계층적 기법으로 정밀 분석했다. 그러나 천체물리학적 원인으로 볼 수 있는 연속 중력파 신호는 발견되지 않았다. 이 후속 분석을 통해 170.5 Hz에서 171 Hz 사이 주파수 대역의 진폭 상한은 4.3×10−25로 더욱 엄격해졌으며, 이는 이전 탐색 결과보다 1.3배 개선된 수치이다 (90% 신뢰 구간).

3. 1. 4. Advanced LIGO O1 데이터 분석

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연속파(CW) 탐색은 사용 가능한 컴퓨터의 계산 능력에 의해 한계가 있으며, 프로젝트에서는 새로운 효율적인 계산 방법을 통해 검출 감도를 향상시키는 시도가 이루어졌다. 2017년 말, 계층적 검색에서 후보를 클러스터링하는 방법의 개선 기법과, 천체물리학적인 연속파와 그것들과 매우 유사한 검출기에 의한 인공적인 잡음 신호를 구별하고 제거하는 새로운 기법, 이 두 가지가 공개되었다[111][112]

이 두 가지 새로운 기법은 장비가 업데이트되어 감도가 10배 향상된 어드밴스드 LIGO 검출기에 의한 최초의 관측 실행("O1")에서의 전천 연속파 탐색에서 처음 사용되었으며, 결과는 2017년 12월 8일에 공표되었다.[113] 이 첫 번째 탐색에서는 주파수가 20 Hz에서 100 Hz 사이의 신호는 발견되지 않았고, 중력파 변형 진폭의 상한은 100 Hz에서 당시까지 가장 엄격한 1.8×10−25로 갱신되었다.

3. 1. 5. 특정 천체 대상 중력파 탐색

Einstein@Home 프로젝트는 전천(全天)을 대상으로 하는 무지향적 탐색 외에도, 제한된 계산 자원을 효율적으로 사용하기 위해 특정 천체를 대상으로 하는 지향적 중력파 탐색 연구도 병행했다. 이는 중력파원의 위치 등 사전 정보가 알려진 경우에 유용한 전략이다.

2018년 1월 31일에는 이러한 지향 탐색의 최적화 방안과 구체적인 계획에 대한 연구 결과가 발표되었다.[114][37] 이 연구에서는 잠재적 중력파원으로 고물자리 초신성 잔해(Vela Jr., RX J0852.0−4622), 카시오페이아자리 A(Cassiopeia A), 그리고 SN 393(G347.3)의 세 초신성 잔해 중심에 있을 것으로 추정되는 중성자별을 주요 탐색 대상으로 선정하고, 이들 천체에서 방출될 수 있는 광범위한 주파수 대역의 연속 중력파 탐색 설계를 제시했다.

이 계획에 앞서, LIGO의 6번째 과학 실행(S6) 데이터를 사용하여 카시오페이아자리 A의 중심 천체를 대상으로 한 탐색이 이미 수행된 바 있다.[32] 중심 천체의 정확한 회전 속도를 모르기 때문에, 50 Hz에서 1000 Hz 사이의 넓은 주파수 범위에서 탐색이 이루어졌으나 신호는 발견되지 않았다. 당시 이 탐색 결과로 설정된 중력파 방출 상한은 이전에 발표된 값들보다 약 2배 더 엄격한 것이었다.

2019년 7월 29일에는 위에서 선정된 세 천체(고물자리 초신성 잔해, 카시오페이아자리 A, SN 393)를 대상으로 한 첫 번째 지향 탐색 결과가 발표되었다.[115][38] Advanced LIGO의 첫 번째 관측 실행(O1) 데이터를 사용하여 20 Hz에서 1500 Hz까지의 주파수 대역을 조사했지만, 중력파 신호는 검출되지 않았다. 이 결과는 세 천체 모두에 대해 이전 탐색 결과보다 약 2배 개선된, 당시로서는 가장 엄격한 상한값을 제시했다.

2020년 6월 29일에는 이 세 천체에 대한 후속 탐색 결과가 발표되었다.[116][39] 이전 탐색에서 찾아낸 약 1만 개의 유망한 신호 후보들을 대상으로, O1 데이터에 더해 Advanced LIGO의 두 번째 관측 실행(O2) 데이터를 사용하여 정밀 조사를 수행했다. 그 결과, SN 393과 관련된 후보 하나가 중력파 신호일 가능성을 배제할 수 없었으나, 결정적인 증거는 확보하지 못했다. 이 후보 신호의 예상 회전 주기에 맞춰 과거 X선 관측 데이터에서 펄스를 방출하는 천체를 찾아보았지만 발견되지 않았다. 이 후보의 정체는 O3 관측 데이터 분석을 통해 밝혀질 것으로 기대되었다.

2021년 8월 5일에는 SN 393(G347.3)의 중심 천체만을 대상으로 한 별도의 탐색 결과가 발표되었다.[41] 20 Hz에서 400 Hz 사이의 주파수 대역을 분석했지만 신호는 발견되지 않았다. 이 탐색을 통해 설정된 상한값은 대부분의 주파수 대역에서 중성자별의 비대칭성(이심률)이 10−6 미만임을 시사한다. 가장 민감도가 높았던 166 Hz 대역에서는 중력파 변형 진폭의 상한(90% 신뢰도)이 7.0×10−26으로 설정되었다.

3. 1. 6. Advanced LIGO O2 데이터 분석

어드밴스드 LIGO(Advanced LIGO)의 두 번째 관측 실행(Observation Run 2, O2)에서 얻어진 데이터는 Einstein@Home 프로젝트를 통해 연속 중력파(Continuous gravitational waves) 탐색에 활용되었다.

2020년 6월 29일, 이전 O1 데이터 분석[38]에서 유망했던 후보 신호 약 10,000개에 대해 O2 데이터의 두 구간을 사용한 후속 분석 결과가 발표되었다.[39] 이 분석에서 초신성잔해 G347.3과 관련된 후보 하나가 여전히 가능성 있는 신호로 남았으나, 중력파 데이터만으로는 결정적인 확인이 어려웠다. 아카이브 X선 데이터를 이용해 해당 후보의 예상 회전 주파수와 그 정수배 주파수에서 펄스를 탐색했지만, 신호는 발견되지 않았다. 연구진은 LIGO의 세 번째 관측 실행(O3) 데이터가 이 잠재적 후보의 특성을 밝히는 데 도움이 될 것으로 기대했다.[39]

2021년 3월 8일, O2 데이터 전체를 사용한 전천 탐색(all-sky search) 결과가 발표되었다.[40][117] 이 탐색은 8단계의 계층적 후속 분석 과정을 거쳤고, 20 Hz에서 585 Hz 사이의 주파수 대역을 조사했다. 특히 500 Hz 미만에서는 당시까지 수행된 모든 전천 탐색 중 가장 높은 감도를 달성했다. 분석 결과 6개의 후보 신호가 모든 단계를 통과했지만, 이는 LIGO 검출기의 유효성 검증을 위해 인위적으로 주입된 신호(hardware injection)와 일치하는 것으로 밝혀졌다. 즉, 천체물리학적 기원의 중력파 신호는 발견되지 않았다. 이 탐색으로 설정된 중력파 변형 진폭의 상한값(90% 신뢰도)은 163 Hz 부근의 0.5 Hz 폭 대역에서 1.3×10−25였다.[40] 또한 이 결과는 중성자별의 천체물리학 및 개체군 특성에 대한 제약을 가했는데, 지구로부터 100pc 이내의 거리에 있으면서 회전 주파수가 200 Hz 이상이고 이심률이 10−7보다 큰 중성자별(일부 중성자별 껍질 모델에서 예측됨)의 존재를 배제했다.[40][117]

이어서 2021년 8월 5일, O2 데이터를 사용하여 초신성 잔해 G347.3의 중심 천체를 대상으로 한 전용 탐색 결과가 발표되었다.[41][118] 20 Hz에서 400 Hz 사이의 분석된 주파수 범위에서 신호는 발견되지 않았다. 도출된 이심률 상한값은 대부분의 주파수 대역에서 10−6 미만이었다.[119] 가장 민감한 166 Hz 주파수 대역에서 중력파 변형 진폭의 상한값(90% 신뢰도)은 7.0×10−26이었다.[41]

3. 2. 전파 데이터 분석

Einstein@Home 프로젝트는 중력파 탐색 외에도 전파 망원경으로 관측된 데이터를 분석하여 펄서, 특히 쌍성계를 이루고 있는 펄서를 탐색한다. 이 분석에는 중력파 검출용으로 개발된 수학적 기법이 활용된다.[90]

프로젝트는 2009년 3월부터 푸에르토리코아레시보 천문대에서 수행된 PALFA Survey 데이터를 분석하기 시작했으며[13][87][120], 이후 호주 파크스 천문대의 파크스 멀티빔 서베이(Parkes Multibeam Pulsar Survey) 아카이브 데이터 분석도 추가되었다.[89][120]

파크스 천문대의 구경 전파 망원경


2013년 8월 20일, 파크스 멀티빔 서베이 데이터를 재분석하여 이전에 놓쳤던 24개의 새로운 펄서를 발견했다고 발표했다.[47][125] 이 중 6개는 쌍성계에 속한 펄서였다. 이는 기존 분석 방법으로는 찾기 어려웠던 신호들을 Einstein@Home의 분산 컴퓨팅 파워를 통해 발견한 사례이다.

아레시보 천문대 데이터 분석을 통해서도 다수의 새로운 펄서가 발견되었으며, 특히 2016년에는 두 개의 중성자별로 이루어진 희귀한 이중 중성자별 시스템 PSR J1913+1102를 발견했다.[48][126] 아레시보 천문대 데이터 분석을 통한 주요 발견 내용은 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.

3. 2. 1. 아레시보 천문대 데이터 분석

아레시보 천문대의 구경 전파 망원경


2009년 3월 24일, Einstein@Home 프로젝트는 푸에르토리코아레시보 천문대에서 PALFA 컨소시엄이 수신한 데이터 분석을 시작한다고 발표했다.[13][120]

같은 해 11월 26일, 아레시보 이진 펄서 검색을 위한 CUDA 최적화 애플리케이션이 Einstein@Home 공식 웹사이트에 상세히 소개되었다. 이 애플리케이션은 일반 CPU와 NVIDIA GPU를 모두 사용하여 분석 속도를 최대 50%까지 높였다.[43][121]

2010년 8월 12일, 프로젝트는 새로운 교란된 이진 펄서인 PSR J2007+2722의 발견을 발표했다.[44][122] 이는 발견된 것 중 가장 빠르게 회전하는 펄서일 수 있다.[3][77] Einstein@Home 자원봉사자인 크리스 콜빈, 헬렌 콜빈, 다니엘 게브하르트의 컴퓨터가 PSR J2007+2722를 가장 높은 통계적 유의성으로 관측했다.

2011년 3월 1일에는 두 번째 발견인 연성 펄서 시스템 PSR J1952+2630을 발표했다.[45][123] 러시아영국의 Einstein@Home 자원봉사자 컴퓨터가 PSR J1952+2630을 가장 높은 통계적 유의성으로 관측했다.

2012년 5월 15일까지 AMD 그래픽 카드를 위한 새로운 애플리케이션이 출시되었다. OpenCL을 사용하여 새로운 애플리케이션은 일반 CPU에서 실행하는 것보다 10배 더 빨랐다.

2013년 7월 22일, 라디오 펄서 검색의 안드로이드 애플리케이션 버전이 발표되었다.[46][124] CPU 애플리케이션처럼 안드로이드 애플리케이션도 아레시보 천문대의 데이터를 처리한다.

2016년 11월 4일, PALFA 데이터에서 이중 중성자별 이진 시스템이 발견된 사실이 발표되었다.[48][126] PSR J1913+1102는 중성자별 파트너와 4.95시간 궤도를 돈다. 상대론적 근점 이동을 측정하여 시스템의 총 질량을 2.88 태양 질량으로 결정했는데, 이는 가장 질량이 큰 이중 중성자별인 PSR B1913+16의 질량과 유사하다.

Einstein@Home에 의해 발견된 13개의 라디오 펄서에 대한 시간 분석이 2021년 8월 PALFA 컨소시엄에 의해 발표되었다.[49][127]

2023년 10월 31일, 이 프로젝트는 "펄서 탐색자(Pulsar Seekers)"라는 새로운 Zooniverse 프로젝트의 출시를 발표했다.[50] 이 프로젝트에서 시민 과학자들은 대형 아레시보 망원경의 PALFA 펄서 조사 관측 데이터를 Einstein@Home이 분석하여 생성한 펄서 후보에 대한 진단 플롯 세트를 시각적으로 검사하고 분류한다. 목표는 이 데이터에서 새로운 펄서를 식별하는 것이다.[51]

2023년 12월 현재, Einstein@Home 프로젝트는 총 55개의 라디오 펄서를 발견했으며, 이 중 31개는 아레시보 라디오 데이터를 사용하여 발견되었다(아레시보 이진 라디오 펄서 검색에서 2개, 아레시보 천문대의 PALFA 모의 분광계 데이터에서 29개 포함).[4][52][53][54][128][129][130]

3. 2. 2. 이중 중성자별 발견

2016년 11월 4일, Einstein@Home 프로젝트는 PALFA 데이터를 분석하여 두 개의 중성자별로 이루어진 연성 펄서 시스템인 PSR J1913+1102를 발견했다고 발표했다.[48][126] 이는 Einstein@Home이 발견한 첫 이중 중성자별 시스템으로, 이전까지 발견된 연성 펄서들은 중성자별과 일반 항성으로 구성된 쌍성계였다. PSR J1913+1102는 두 중성자별이 서로를 4.95시간 주기로 공전한다. 상대성이론적 효과인 근점 이동 관측을 통해 이 시스템의 총 질량은 2.88 태양 질량으로 측정되었으며, 이는 지금까지 발견된 가장 무거운 이중 중성자별 중 하나인 PSR B1913+16과 비슷한 값이다.

3. 3. 감마선 데이터 분석

Einstein@Home 프로젝트는 2011년 7월부터 페르미 감마선 우주 망원경의 주요 관측 장비인 대형 면적 망원경(LAT, Large Area Telescope) 데이터를 분석하여, 회전하는 중성자별에서 방출되는 감마선 펄스, 즉 감마선 펄서를 탐색하고 있다.[91][55] 일부 중성자별은 주기적인 감마선 방출을 통해서만 관측될 수 있으며, 이는 전파를 방출하는 영역과는 다른 자기권 영역에서 발생한다. 중성자별이 수십억 번 회전하는 동안 LAT가 감지할 수 있는 광자는 수천 개에 불과하기 때문에, 이 관측만으로 중성자별의 자전 주기를 알아내는 것은 매우 어렵다.[92] Einstein@Home은 이처럼 어려운 감마선 데이터 분석을 위해, 원래 중력파 검출을 위해 개발했던 정교한 수학적 기법을 활용한다.

이러한 분석을 통해 2013년 처음으로 4개의 젊은 감마선 펄서를 발견한 것을 시작으로[56][132], Einstein@Home은 전파를 방출하지 않는 펄서, 밀리초 펄서, 그리고 블랙 위도우 펄서나 "레드백"과 같은 특이한 쌍성계에 속한 펄서 등 다양한 종류의 감마선 펄서를 꾸준히 발견해왔다. 이 프로젝트의 데이터 분석 기법은 기존 방법으로는 놓쳤던 펄서까지 찾아내는 등 참신하고 효과적인 것으로 평가받는다.[83][84]

2023년 11월에는 세 번째 페르미 LAT 감마선 펄서 카탈로그가 발표되었는데, 여기에는 Einstein@Home이 직접 발견한 39개의 펄서와 Einstein@Home의 분석 방법을 사용하여 다른 대형 컴퓨팅 클러스터에서 발견한 14개의 펄서가 포함되었다.[69][70] 2023년 12월 기준으로 Einstein@Home 프로젝트가 페르미 LAT 데이터를 분석하여 발견한 감마선 펄서는 총 39개에 달한다.[4][80]

3. 3. 1. 초기 감마선 펄서 발견

2011년 7월 1일, 페르미 감마선 우주 망원경에 탑재된 대형 면적 망원경(LAT, Large Area Telescope)의 데이터를 사용하여 펄서를 검색하는 새로운 애플리케이션이 공개되었다.[55][131]

발사 전 페르미 감마선 우주 망원경


2013년 11월 26일, Einstein@Home 프로젝트를 통해 LAT 데이터에서 처음으로 4개의 젊은 감마선 펄서가 발견되었다고 발표되었다.[56][132] 이 4개의 펄서는 모두 우리 은하계의 은하 원반에 위치하며, 스핀 주파수는 10 Hz 미만이고 특성 연령은 35,000년에서 56,000년 사이로 추정된다. 어떤 펄서에서도 전파는 감지되지 않았다.

2015년 8월 4일에는 감마선 펄서 PSR J1906+0722의 발견이 발표되었다.[57][58][133][134] 이 발견은 2012년부터 LAT에서 관측된 감마선 광자의 에너지 분포를 기반으로 존재가 의심되었던 이 천체의 펄서 특성을 확인한 것이다. 이 펄서는 젊고 에너지가 넘치며, 2009년 8월에는 감마선 펄서에서 관측된 가장 큰 글리치 중 하나를 겪었다. 후속 검색에서 전파 펄스는 감지되지 않아 PSR J1906+0722는 전파 방출이 없는 것으로 보인다. 천체 물리학적 특성의 매개변수 추정을 개선하기 위해 감마선 펄스 도착 시간을 측정하는 고급 방법이 도입되었다.

2016년 11월 16일에는 알려진 가장 젊은 전파 미방출 감마선 펄서인 PSR J1208−6238의 발견과 시간 측정 결과가 발표되었다.[59][135] 추정 연령이 2,700년임에도 불구하고, 관련된 초신성 잔해나 펄서 성운은 확인되지 않았다.

2017년 1월 11일, 페르미-LAT 카탈로그에 있는 118개의 미확인 펄서 유사 소스에 대한 조사의 첫 결과가 발표되었다.[60][136] 총 13개의 새로운 펄서가 발견되었으며, 그 중 대부분은 젊고 수십만 년 전의 초신성 폭발에서 형성된 것으로 추정된다. 이 발견과 조사 방법은 두 편의 관련 논문 중 첫 번째에 발표되었고, 두 번째 논문에서는 13개의 감마선 펄서 중 2개에서 희미한 전파 펄스가 감지되었음을 보고하고 다양한 기하학적 방출 모델을 사용하여 감마선 및 전파 펄스 프로파일을 모델링했다.[61][137]

2018년 2월 28일, Einstein@Home이 펄스 감마 방사선을 통해 두 개의 밀리초 펄서를 발견했다고 발표되었다.[62][138][63][139] 348 Hz로 회전하는 PSR J1035−6720은 후속 검색에서 감지 가능한 전파 펄스를 가지고 있었다. 다른 하나인 PSR J1744−7619는 지금까지 발견된 최초의 전파 미방출 밀리초 펄서이다. 이 프로젝트는 또한 궤도 매개변수가 추가되어 발견하기 더 어려운 쌍성계에서 감마선 펄서를 검색하고 있다고 발표했다.[139]

쌍성계에서 감마선 펄서를 찾기 위한 Einstein@Home의 첫 발견은 2020년 10월 22일에 발표되었다.[64][65][141] PSR J1653-0158은 약 2 태양 질량을 가진 중성자별로, 알려진 가장 빠른 회전 주파수 중 하나인 508 Hz를 가지며, 태양 질량의 1%에 불과한 동반성과 함께 공통 질량 중심 주위를 75분 주기로 공전한다. 이는 유사한 쌍성계 중 가장 짧은 궤도 주기이다. 이 발견은 쌍성 궤도 매개변수를 포함하도록 수정된 감마선 펄서 검색 코드의 GPU 가속 버전을 사용하여 이루어졌다. 후속 검색에서는 전파가 발견되지 않았고, 중력파 검색에서도 해당 방출은 발견되지 않았다. 이 펄서는 블랙 위도우 펄서로 알려진 종류에 속하며, 강력한 방사선과 입자 바람으로 동반성을 증발시킨다. 침식된 물질은 전파를 흡수하지만 감마선은 흡수하지 않는 플라스마 구름으로 쌍성계를 채운다.

비정상적인 쌍성계에서 감마선 펄서를 발견한 두 번째 사례는 2021년 2월 2일에 보고되었다.[66][142][67][143] 이 시스템은 "레드백" 밀리초 펄서 시스템으로 생각되었지만, 중성자별에서 펄스는 관측되지 않았다. 펄서 동반성에 대한 광학 관측을 사용하여 시스템의 궤도 매개변수를 제한한 후, Einstein@Home을 사용하여 감마선 펄스를 대상으로 검색한 결과, 태양 질량의 약 5분의 1인 동반성과 5.5시간 궤도에서 377 Hz로 회전하는 저질량 펄서가 발견되었다. 감마선 펄스의 정밀 시간 측정 결과, 최대 10밀리초의 예측 불가능한 궤도 주기 변화가 밝혀졌는데, 이는 동반성의 자기 활동으로 인한 질량 분포 변화와 관련될 수 있으며, 변화하는 외부 중력장을 통해 펄서 궤도에 영향을 미치는 것으로 추정된다.

2021년 6월 15일, 페르미-LAT 데이터에서 14개의 이전에 알려지지 않은 감마선 펄서를 추가로 발견했다고 발표되었다.[68][144]

2023년 11월, 세 번째 페르미 대형 면적 망원경 감마선 펄서 카탈로그가 발표되었다.[69] 이 카탈로그에는 Einstein@Home이 직접 발견한 39개의 펄서와, 다른 대형 컴퓨팅 클러스터에서 Einstein@Home 방법을 사용하여 발견한 14개의 펄서가 등재되었다.[70] 카탈로그에는 향후 검색 대상이 될 수 있는 13개의 후보 거미 펄서 시스템도 포함되었다. 2023년 12월 기준으로 Einstein@Home 프로젝트가 페르미 LAT 데이터를 통해 발견한 감마선 펄서는 총 39개이다.[4]

3. 3. 2. 밀리초 펄서 발견

2018년 2월 28일, Einstein@Home 프로젝트는 맥동하는 감마선 방출을 통해 두 개의 밀리초 펄서를 발견했다고 발표했다.[62][138][63][139] 이 중 하나인 PSR J1035−6720은 348 Hz로 회전하며, 후속 전파 관측에서 희미한 펄스가 감지되었다. 다른 하나인 PSR J1744−7619는 전파 방출이 관측되지 않아, 최초로 발견된 '전파 조용한(radio-quiet)' 밀리초 펄서가 되었다. 이 발표에서 프로젝트는 궤도 요소 매개변수가 추가되어 발견이 더 어려운 쌍성계 내의 감마선 펄서도 탐색하고 있다고 밝혔다.[63][139]

2020년 10월 22일, Einstein@Home은 쌍성계에서 처음으로 감마선 펄서를 발견했다고 발표했다.[64][65][141] PSR J1653-0158로 명명된 이 중성자별은 태양 질량의 약 2배 질량을 가지며, 508 Hz라는 매우 빠른 속도로 회전한다. 이 펄서는 태양 질량의 1%에 불과한 가벼운 동반성과 함께 공통 질량 중심 주위를 75분이라는 짧은 주기로 공전하는데, 이는 유사한 쌍성계 중 가장 짧은 공전 주기이다. 이 발견은 쌍성 궤도 매개변수를 포함하도록 수정된 감마선 펄서 검색 코드의 GPU 가속 버전을 사용하여 이루어졌다. 후속 관측에서 전파나 중력파는 검출되지 않았다. 이 펄서는 동반성을 강력한 방사선과 입자 바람으로 점차 증발시키는 블랙 위도우 펄서로 분류된다. 이 과정에서 생성된 플라스마 구름이 쌍성계를 둘러싸 전파는 흡수하지만 감마선은 통과시키는 것으로 보인다.

2021년 2월 2일에는 또 다른 특이한 쌍성계에서 감마선 펄서를 발견했다고 보고되었다.[66][142][67][143] 이 계는 "레드백(redback)" 밀리초 펄서 시스템으로 추정되었으나, 이전에는 중성자별에서 펄스가 관측되지 않았다. 연구팀은 동반성에 대한 광학 관측을 통해 계의 궤도 매개변수를 제한했고, 이를 바탕으로 Einstein@Home을 이용한 표적 검색을 수행했다. 그 결과, 태양 질량의 약 5분의 1인 동반성과 5.5시간 주기로 공전하는 377 Hz의 저질량 펄서를 발견했다. 감마선 펄스의 정밀한 타이밍 분석 결과, 최대 10ms에 달하는 예측 불가능한 궤도 주기 변화가 밝혀졌다. 이는 동반성의 자기 활동으로 인한 질량 분포 변화가 외부 중력장에 영향을 미쳐 펄서의 궤도를 변화시키는 것과 관련이 있을 것으로 추정된다.

3. 3. 3. 쌍성계 감마선 펄서 발견

2011년 7월 1일, 이 프로젝트는 페르미 감마선 우주 망원경에 탑재된 대형 면적 망원경(LAT)의 데이터를 사용하여 펄서를 검색하는 새로운 애플리케이션을 발표했다.[55][131]

2013년 11월 26일, Einstein@Home 프로젝트를 통해 LAT 데이터에서 4개의 젊은 감마선 펄서가 처음 발견되었다고 발표되었다.[56][132] 4개의 펄서 모두 우리 은하계 평면에 위치하며, 스핀 주파수는 10 헤르츠 미만이고 특성 연령은 35,000년에서 56,000년 사이로 추정된다. 어떤 펄서에서도 전파는 감지되지 않았다.

감마선 펄서 PSR J1906+0722의 발견은 2015년 8월 4일에 발표되었다.[57][58][133][134] 이 발견은 2012년 이후 LAT 관측을 통해 존재가 의심되었던 이 천체의 펄서 특성을 확인시켜 주었다. 이 펄서는 젊고 에너지가 넘치며, 2009년 8월에는 감마선 펄서에서 관측된 가장 큰 글리치 중 하나를 겪었다. 후속 검색에서 전파 펄스는 감지되지 않아 PSR J1906+0722는 전파가 없는 것으로 보인다. 천체 물리학적 특성의 매개변수 추정을 개선하기 위해 감마선 펄스 도착 시간을 측정하는 고급 방법이 도입되었다.

2016년 11월 16일에는 알려진 가장 젊은 전파 없는 감마선 펄서인 PSR J1208−6238의 발견과 시간 측정 결과가 발표되었다.[59][135] 추정 연령이 2,700년으로 매우 젊음에도 불구하고, 관련된 초신성 잔해나 펄서 성운은 확인되지 않았다.

2017년 1월 11일, 페르미-LAT 카탈로그에 있는 118개의 미확인 펄서 유사 소스에 대한 조사의 첫 번째 결과가 발표되어 총 13개의 새로운 펄서가 발견되었다.[60][136] 그 중 대부분은 젊고 수십만 년 전에 초신성 폭발에서 형성된 것으로 추정된다. 관련 연구 결과, 발견된 13개 중 2개에서는 희미한 전파 펄스도 보고되었으며, 다양한 기하학적 방출 모델을 사용하여 감마선 및 전파 펄스 프로파일을 모델링한 결과도 발표되었다.[61][137]

Einstein@Home이 펄스 감마 방사선을 통해 발견한 두 개의 밀리초 펄서의 발견은 2018년 2월 28일에 발표되었다.[62][63][138][139] 348 헤르츠로 회전하는 PSR J1035−6720은 후속 검색에서 감지 가능한 전파 펄스를 가지고 있었지만, 다른 발견인 PSR J1744−7619는 지금까지 발견된 최초의 전파 없는 밀리초 펄서이다. 이 프로젝트는 또한 궤도 매개변수가 추가되어 발견하기가 더 어려운 쌍성계에서 감마선 펄서를 검색하고 있다고 발표했다.[63][139]

쌍성계에서 감마선 펄서에 대한 최초의 Einstein@Home 발견은 2020년 10월 22일에 발표되었다.[64][65][141] PSR J1653-0158은 약 두 태양 질량을 가진 중성자별로, 알려진 가장 높은 회전 주파수 중 하나인 508 헤르츠를 가지며, 태양 질량의 1%에 불과한 동반성과 함께 75분의 짧은 주기로 공전한다. 이는 유사한 쌍성계 중 가장 짧은 궤도 주기이다. 이 발견은 바이너리 궤도 매개변수를 포함하는 수정된 감마선 펄서 검색 코드의 GPU 가속 버전을 사용하여 이루어졌다. 후속 검색에서는 전파나 중력파가 발견되지 않았다. 이 펄서는 블랙 위도우 펄서로 분류되는데, 이는 펄서가 강력한 방사선과 입자 바람으로 동반성을 증발시키는 종류를 말한다. 침식된 물질은 전파를 흡수하지만 감마선은 흡수하지 않는 플라스마 구름으로 쌍성계를 채운다.

비정상적인 쌍성계에서 감마선 펄서에 대한 두 번째 발견은 2021년 2월 2일에 보고되었다.[66][67][142][143] 이 시스템은 "레드백" 밀리초 펄서 시스템으로 생각되었으나, 중성자별에서 펄스가 관측되지 않았었다. 펄서 동반성에 대한 광학 관측으로 시스템의 궤도 매개변수를 제한한 후 Einstein@Home을 사용하여 감마선 펄스를 대상으로 검색한 결과, 태양 질량의 약 5분의 1인 동반성과 5.5시간 궤도에서 377 헤르츠로 회전하는 저질량 펄서가 발견되었다. 감마선 펄스의 정밀 시간 측정 결과, 최대 10밀리초의 예측 불가능한 궤도 주기 변화가 밝혀졌는데, 이는 동반성의 자기 활동으로 인한 질량 분포 변화와 관련될 수 있으며, 이는 다시 변화하는 외부 중력장을 통해 펄서 궤도에 영향을 미치는 것으로 추정된다.

2021년 6월 15일에는 페르미-LAT 데이터에서 14개의 이전에 알려지지 않은 감마선 펄서를 추가로 발견했다고 발표했다.[68][144]

2023년 11월에 발표된 세 번째 페르미 대형 면적 망원경 감마선 펄서 카탈로그에는 Einstein@Home으로 발견된 39개의 펄서와, Einstein@Home 방법을 사용하여 대형 컴퓨팅 클러스터에서 발견된 14개의 펄서가 포함되었다.[69][70] 이 카탈로그에는 또한 Einstein@Home으로 감마선 펄스를 검색하기 위한 미래의 대상이 될 수 있는 13개의 후보 거미 펄서 시스템이 포함되어 있다.

2023년 12월 기준으로, Einstein@Home 프로젝트는 페르미 LAT 데이터에서 총 39개의 감마선 펄서를 발견했다.[4][80]

4. 프로젝트 참여 방법

Einstein@Home 프로젝트에 참여하려면, 먼저 [https://einsteinathome.org/ko/user/registration 프로젝트 웹 페이지]에서 계정을 등록해야 한다. 그 다음, BOINC 프로젝트 실행을 위한 통합 소프트웨어인 BOINC 매니저를 [https://boinc.berkeley.edu/download.php BOINC 웹 페이지]에서 내려받아 설치한다.

BOINC 매니저를 설치하고 실행한 후, 참여할 프로젝트 선택 화면에서 Einstein@Home을 선택하고 앞서 생성한 계정으로 로그인하면 된다. 로그인이 완료되면 분석용 애플리케이션과 분석 대상 데이터(태스크)가 자동으로 컴퓨터에 다운로드된다. 이후에는 BOINC 매니저를 실행하기만 하면, 컴퓨터가 자동으로 분석 작업을 수행한다.

분석 작업에 대한 세부 설정은 환경 설정을 통해 조절할 수 있다. 예를 들어, 계산을 수행할 시점이나 컴퓨터에 저장할 태스크의 양 등을 사용자가 직접 정할 수 있다. 이 프로젝트는 컴퓨터의 화면 보호기처럼 사용하지 않는 여유 자원을 활용하여 분석을 진행하는 방식으로 시작되었다. 따라서 "컴퓨터를 일정 시간 이상 사용하지 않을 때 CPU 자원의 특정 비율을 분석에 할당하고, 다시 사용하기 시작하면 CPU 사용 비율을 낮추거나 분석을 중단하는" 방식으로 설정하여, 평소 컴퓨터 사용에 지장을 주지 않으면서 유휴 컴퓨팅 능력을 효율적으로 활용할 수 있다.

분석이 완료된 결과는 자동으로 프로젝트 서버로 전송되며, 동시에 새로운 태스크를 내려받는다. 분석 결과는 기여도에 따라 '크레딧'이라는 점수로 환산된다. 프로젝트 웹 페이지에서는 이 크레딧 점수를 바탕으로 다른 참여자나 참여자들이 결성한 팀과 경쟁하는 순위를 확인할 수 있다[93]

5. 분석 애플리케이션

2009년 11월 26일에는 CUDA( Compute Unified Device Architecture|컴퓨트 유니파이드 디바이스 아키텍처eng )를 이용하여 계산을 할 수 있는 프로그램이 홈페이지를 통하여 제공되었으며, 이를 이용하면 계산을 훨씬 빠르게 수행할 수 있다.

기본적으로 홈페이지에서 제공하는 프로그램은 비교적 예전 CPU부터 최신의 CPU까지 모두 작동할 수 있도록 설계되었다. 이 때문에 최신 CPU에서 제공하는 여러 가지 최적화된 명령어(x86 계열 CPU의 경우 MMX (명령어 집합)SSE 등)들을 사용하지 않는다. 그러나 해당 명령어들은 부동소수점 연산 성능 향상을 위해 추가된 만큼, 이를 사용할 경우 계산 속도가 크게 향상될 수 있다. 이러한 이유로 일부 개발자들은 최신 CPU의 성능을 최대한 활용하기 위해 별도로 최적화된 프로그램을 만들어 배포하고 있다. 또한, 계산 알고리즘 자체를 개선하여 정식 배포 프로그램에 적용한 사례도 있다.[147]

5. 1. 주요 애플리케이션

이 애플리케이션들은 BOINC에서 Einstein@Home에 참가 등록했을 때 자동으로 컴퓨터에 설치된다. 자원봉사 사용자가 개별 애플리케이션에 대해 특별히 조작할 필요는 없다[145]。이 중 일부는 GPU에서 작동하기 때문에 CPU만 탑재된 컴퓨터에서는 가동되지 않을 수 있으며, 이러한 컴퓨터의 사용자는 CPU로 작동하는 분석에만 참여하게 된다.

  • Gravitational Wave search O3 All-Sky #1 (O3AS): Advanced LIGO의 3번째 과학적 운용 데이터(O3)를 이용하여 전천 모든 방향을 가정하고 중력파를 찾는 분석 애플리케이션이다.
  • Gravitational Wave search O2 Multi-Directional (O2MD1): Advanced LIGO의 2번째 과학적 운용 데이터(O2)를 이용하여 여러 특정 목표 천체로부터 오는 중력파를 찾는 분석 애플리케이션이다.
  • Gamma-ray pulsar search #5 (FGRP5): 페르미 감마선 우주 망원경의 LAT(Large Area Telescope) 데이터를 분석하여 감마선 펄서를 찾는 애플리케이션이다.
  • Gamma-ray pulsar binary search #1 on GPUs (FGRPB1G): 페르미 감마선 우주 망원경의 LAT 데이터를 이용하여 감마선 쌍성 펄서를 찾는 분석 애플리케이션으로, GPU를 사용한다.
  • Binary Radio Pulsar Search (Arecibo) (BRP4): 아레시보 천문대의 전파 망원경 데이터를 분석하여 전파를 방출하는 쌍성 펄서를 찾는 애플리케이션으로, CPU를 사용한다.
  • Binary Radio Pulsar Search (Arecibo, GPU) (BRP4G): 아레시보 천문대의 전파 망원경 데이터를 분석하여 전파를 방출하는 쌍성 펄서를 찾는 애플리케이션으로, GPU를 사용한다.

6. 과학 출판물


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  • Clark, Colin J. 외 (2016). "아인슈타인@홈 감마선 펄서 탐사 I: 탐색 방법, 감도 및 새로운 젊은 감마선 펄서의 발견(The Einstein@Home Gamma-ray Pulsar Survey I: Search Methods, Sensitivity and Discovery of New Young Gamma-ray Pulsars)". ''천체물리학 저널'' '''834''' (2): 106.
  • Lyne, A. G.; Stappers, B. W.; Bogdanov, S.; Freire, P. C. C.; Kaspi, V. M. 외 (2016). "PALFA 탐사에서 발견된 29개의 펄서의 타이밍(Timing of 29 Pulsars Discovered in the PALFA Survey)". ''천체물리학 저널'' '''834''' (2): 137.
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참조

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[105] 문서 중력파는 공간의 왜곡이며, 이 진폭은 공간이 왜곡된 비율을 나타낸다. 왜곡의 작은 정도의 척도로 종종 `지구와 태양 사이의 거리(천문 단위, 1.5 × 10¹¹m)에 대해 수소 원자의 지름(1.1 × 10⁻¹¹m) 정도로 공간이 왜곡될 때의 왜곡이 1.0 × 10⁻²¹`로 예시된다. 7.6 × 10⁻²⁵는 그 1000분의 1 이하 크기의 왜곡에 해당한다.
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[119] 문서 천체원까지의 거리를 가정할 수 없으므로, 나타낼 때의 기준으로 100pc 이내라는 기준을 설정하여 그 거리로 환산하여 편평도를 구하는 전천 탐색의 경우와 달리, 초신성 잔해까지의 거리는 정해져 있으므로 편평도의 상한은 유일하게 결정된다
[120] 문서 천문학에서의 서베이란 특정 천체의 관측을 목적으로 하지 않고 광범위하게 관측하여 대량의 데이터를 수집하고, 거기서 천체나 현상의 검출이나 그것들의 특성의 통계를 조사하는 것을 가리킨다. [[사천관측]]도 참조.
[121] 웹사이트 ABP1 CUDA applications https://einsteinatho[...] 2016-11-16
[122] 뉴스 Home computers discover rare star https://www.bbc.co.u[...] 2010-08-13
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