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우주 이야기 442 - 펄서를 이용해서 중력파를 찾아낸다?



(Gravitational waves are ripples in space-time, represented by the green grid, produced by accelerating bodies such as interacting supermassive black holes. These waves affect the time it takes for radio signals from pulsars to arrive at Earth. Credit: David Champion )​
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 LIGO의 중력파 검출 이후 다른 중력파 검증 프로그램은 중단된 것이 아니라 오히려 더 활기를 띄고 있습니다. 중력파 검출을 확실히 검증하는 것은 물론 더 나아가 중력파 천문학의 가능성이 있기 때문입니다. LIGO와의 별도의 중력파 검증 프로그램인 ​NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) 역시 마찬가지입니다.
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 나노그라브는 새로운 중력파 검출 장치를 건설하는 대신 현재 있는 전파 망원경을 이용해서 지구 주변에 있을 것으로 생각되는 저주파 미세 중력파를 검증하는 프로젝트입니다.
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 Astrophysical Journal Letters에 이 프로젝트에 관한 논문을 발표한 나사 제트 추진 연구소의 스티븐 테일러(Stephen Taylor)에 의하면 충분한 수의 펄서를 관측하면 이 저주파 중력파를 검증할 가능성이 있다고 합니다. 아이디어는 간단합니다.
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 중력파는 블랙홀의 충돌과 같이 강력한 중력이 작용하는 과정에서 발생할 수 있습니다. 우주에서 가장 큰 블랙홀이 은하 중심에 있다는 점을 생각하면 사실 가장 강력한 중력파가 발생할 수 있는 장소 역시 은하 중심입니다.


 두 개의 은하가 서로 충돌하게 되면 두 개의 거대 질량 블랙홀이 서로 만나게 됩니다. 이 때 태양 질량의 수백만배에 달하는 거대 질량 블랙홀이 충돌하면서 강력한 중력파가 형성됩니다. 이 중력파는 거미줄을 타고 출렁임이 퍼지는 것처럼 우주 전체로 퍼지게 됩니다. 하지만 지구에서 먼 위치에서 발생하는 경우가 대부분이고 공간의 흔들림 자체가 매우 미세한데다 파장이 길어서 관측이 더 까다롭습니다.
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 빠른 속도로 회전하는 중성자별인 펄서는 1초 동안 수백번 신호를 내놓을 수 있습니다. 그런데 이 신호가 오는 과정에서 중력파에 의한 공간의 출렁임을 통과하게 됩니다. (위의 개념도) 여러 장소에서 오는 밀리미터 펄서를 동시에 측정할 수 있다면 이 미세한 변화를 감지할 가능성이 있습니다. 비록 그 차이는 매우 작지만, 현재의 기술로도 10만분의 1초의 변화를 측정할 수 있기 때문입니다.
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 나노헤르츠 중력파 (Nanohertz gravitational waves) 검증을 위한 나노그라브는 이미 54개의 전파 망원경이 참여하고 있습니다. 하지만 관측 범위를 모든 하늘로 넓히기 위해선 더 많은 전파 망원경의 참여가 필요하다고 합니다.
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 이렇게 미세한 중력파 검증이 가능해지면, 역으로 거대 질량 블랙홀의 접근과 충돌에 대한 정보를 알 수 있게 될 것입니다. 이는 새로운 형태의 중력파 천문학의 가능성을 내포하는 것입니다.
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 아직은 시작단계지만, 앞으로 중력파 검출 기술이 계속 발달하면 우리는 천문학의 새로운 시대에 접어들게 될 것입니다.
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 참고
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"Are We There Yet? Time to Detection of Nanohertz Gravitational Waves Based on Pulsar-Timing Array Limits," S. R. Taylor et al., 2016 Mar. 1, Astrophysical Journal Letters. iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/819/1/L6, preprint: arxiv.org/abs/1511.05564
"Interpreting the Recent Upper Limit on the Gravitational Wave Background from the Parkes Pulsar Timing Array," The NANOGrav Collaboration, 2016. preprint: arxiv.org/abs/1602.06301


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