독특한 삼중성계가 제공하는 중력 실험실

 

Credit: Bill Saxton; NRAO/AUI/NSF

 

그림1> 밀리세컨드 펄서가 왼쪽 전면으로 보이고 중앙으로 이 펄서 주위를 공전하는 고온의 백색왜성이 보인다.
이 두 개의 천체 주위를 또 하나의 보다 차가운 백색왜성이 훨씬 먼거리에서 공전하는데 그림 상단 우측에 위치하고 있다. 

 

독특한 삼중성계가 제공하는 중력 실험실

 

천문학자들이 국립과학재단의 그린뱅크 망원경(Green Bank Telescope, 이하GBT)을 이용하여 지구 공전궤도보다 약간 작은 공간에 두 개의 백색왜성과 초고밀도의 중성자별이 몰려 있는 독특한 삼중성계를 발견했다.

 

이 별들의 밀집도는 각 별들의 성격과 연계되어 천문학자들로 하여금 이와 같은 연성계에서의 복잡한 중력상호작용에 대해 지금까지 연구된 것보다 최상의 측정이 가능하도록 해 주었다.
게다가 이 다중성계에 대한 세부 연구는 기초물리학의 주된 미결문제 중 하나인 중력의 본성을 풀기위한 핵심 단서를 제공해줄지도 모른다.

 

국립전파천문대의 스콧 렌섬(Scott Ransom)의 의견은 다음과 같다.
"이 삼중성계는 어떻게 이와같은 삼중성계가 작동하는지 알아내기 위해 이전에 연구된 그 어떤 다중성계보다도 훨씬 뛰어난 우주의 자연 연구소를 제공해 주고 있으며 잠재적으로 물리학자들이 극한의 조건하에서 발견되기를 기대하고 있는 일반상대성이론의 문제점을 탐지해낼 가능성을 제공해 주고 있습니다."
 

웨스트 버지니아 대학의 대학원생인 제이슨 보일스(Jason Boyles) - 현재는 웨스턴 켄터키 대학에 있음 - 는 GBT를 이용한 대규모 펄서 탐색의 일환으로 하나의 펄서를 발견했다.
펄서란  빠르게 자전하면서 우주공간을 휩쓰는 라디오파를 등대처럼 방출하고 있는 중성자별이다.

 

이번에 발견된 펄서 중 하나는 지구로부터 대략 4200광년에 위치하고 있으며 1초에 거의 366번 회전하고 있다.
이처럼 빠르게 회전하는 펄서들은 밀리세컨드 펄서라고 불리는데

천문학자들은 이 펄서들을 파악하기 어려운 중력파의 연구를 포함하여 다양한 현상을 연구하는 측정도구로서 사용하곤 한다.

 

이어진 관측에서 이 펄서는 백색왜성과 함께 짧은 공전궤도를 유지하고 있다는 점을 알아냈으며 이 한쌍의 별 역시 좀더 멀리 떨어진 또다른 백색왜성의 공전궤도 안쪽에 위치하고 있음이 밝혀졌다.

 

렌섬의 소감은 다음과 같다.
"이번에 발견된 펄서는 이와 같은 다중성계에서 발견된 최초의 밀리세컨드 펄서였으며 우리는 이를 통해 중력의 본질과 그 효과를 연구할 수 있는 절호의 기회를 잡을 수 있으리라는 것을 즉각 알아차렸습니다."

 

과학자들은 바로 GBT와 푸에르토리코의 아레시보 전파 망원경, 그리고 네델란드의 웨스터보크 통합 라디오파 망원경을 이용하여 강도높은 관측 프로그램을 시작했다.
또한 과학자들은 슬론 디지털 스카이 서베이(the Sloan Digital Sky Survey)와 GALEX 위성, 아리조나 키트 피크의 윈(WIYN) 망원경과 스피처 우주망원경을 통해 획득된 데이터를 이용하여 이 다중성계를 연구했다.

 

렌섬의 설명은 다음과 같다.
"이 삼중성계를 구성하고 있는 각 천체들이 서로서로 겪고 있는 중력섭동은 놀라우리만치 단순하고 강력합니다.
밀리세컨드 펄서는 이러한 섭동 현상을 대단히 잘 측정할 수 있는 극강의 도구로서 작용하고 있습니다."

 

이 펄서의 전파가 도착하는 시간을 매우 정밀하게 기록함으로써 과학자들은 이 삼중성계의 기하학적 구조와 별들의 질량을 전례없이 정확하게 측정할 수 있었다.
 

네덜란드 라디오 천문 연구소(the Netherlands Institute for Radio Astronomy, ASTRON)의 안네 아치발트(Anne Archibald)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 천체물리학을 이용하여 가장 정밀한 질량 측정치를 만들어냈습니다. 

이 다중별계에서 별들의 상대적인 위치에 대한 우리의 측정치는 수백미터 수준의 정밀도를 가지고 잇습니다."

 

아치발트는 이 측정치들을 이용하여 이 다중성계의 움직임을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 구축하는데 노력을 기울였다.

 

Pulsar in Stellar Triple System from NRAO Outreach on Vimeo. Credit: Bill Saxton (NRAO/AUI/NSF).

동영상> 이 애니메이션은 초고밀도의 중성자별과 두 개의 백색왜성으로 구성된 독특한 삼중성계를 보여주고 있다.

중성자 별은 자전축을 중심으로 빠르게 회전하며 마치 등대처럼 빛을 복사해내는 펄서이다.

푸른색으로 표현된 이 빛줄기가 중성자 별이 회전할때마다 주변 우주를 휩쓸고 있는 모습을 보여주고 있다.

애니메이션의 초반에는 이 펄서와 가까운 거리에 위치하는 동반성인 백색왜성이 공통 질량 중심점 주변을 공전하는 모습을 볼 수 있다.

그리고 점점 뒤로 물러서면서 이 한쌍의 별들과 함께 훨씬 먼거리에서 공전하고 있는 보다 차가운 백색왜성이 등장하며 이들 세 개 천체의 움직임 역시 묘사하고 있다.
이 삼중성계 전체 크기는 태양 주위를 공전하는 지구의 공전궤도에 딱 들어맞을 정도의 크기이다.

 

이 삼중성계에 대한 연구는 아이작 뉴턴이 지구-달-태양을 연구하는데 사용한 기술과 알버트 아인슈타인의 새로운 중력이론을 결합하여 수행되었다.
이러한 연구는 정확한 측정치를 만들어내는데 반드시 필요한 요소였다.

 

과학자들은 모두 이 삼중성계가 차세대 중력이론으로 가는 길을 안내하는 기회를 약속하고 있다고 말했다.
이 삼중성계는 과학자들에게 등가원리(the Equivalence Principle)라고 불리는 개념의 위반 사례를 발견하는데 있어 최상의 기회를 제공해주고 있다.

이 원칙은 특정 물체에 작용하는 중력의 영향은 해당 물체의 내적 구조나 본성에 전혀 의지하지 않는다고 기술하고 있다.

 

등가원리를 묘사하는 가장 유명한 실험은 갈릴레오가 피사의 사탑에서 서로다른 무게의 공을 떨어뜨린 실험과 아폴로 15호의 사령관 데이브 스콧(Dave Scott)이 1971년 공기가 전혀 존재하지 않는 달표면에서 헤머와 매의 깃털을 떨어뜨려본 실험이다.

(갈릴레오가 실제로 피사의사탑에서 실험을 수행했는지는 확실하지 않지만, 그는 경사진 평면에서 굴러내리는 공의 원리를 시연한 바 있고
 이 실험은 기초물리학 연구소에서 자주 반복되고 있는 실험이기도 하다)

 

렌섬의 설명은 다음과 같다.
"아인슈타인의 상대성이론은 아직까지 모든 실험에서 검증된 바 있습니다만, 양자물리학과는 맞지 않습니다.
이러한 이유 때문에 물리학자들은 극한의 조건 하에서 일반상대성 이론은 문제점을 보일 것으로 기대하고 있죠.

고밀도의 별들로 구성된 이 삼중성계는  강등가원리(the Strong Equivalence Principle)라 불리는 특정 형태의 등가원리 파기를 확인할 수 있는 훌륭한 기회를 제공해 주고 있습니다."

 

무거운 별이 초신성으로 폭발했을 때 그 잔해는 고밀도의 중성자 별로 붕괴되고, 질량 중 일부는 고밀도 상태를 유지해주는 중력적 결합 에너지로 변환된다.
강등가원리는 이러한 결합 에너지가 여전히 자신이 마치 중력인 것처럼 중력적 상호작용을 할 것이라고 말하고 있다.

 

그러나 모든 상대성이론의 반대이론들은 그렇지는 않을 것이라는 입장을 견지하고 있다.
렌섬은 이 삼중성계가 이러한 경우에 대해 최상의 테스트 기회를 제공할 것이라고 말했다.

 

강등가원리 하에서는 외곽에 위치하고 있는 백색외성의 중력 효과가 안쪽에 위치하고 있는 백색왜성과 중성자 별 모두에 똑같은 영향을 끼치고 있을 것이다.

만약 이 강등가원리가 이 삼중성계의 조건하에서 유효하지 않다면, 가장 바깥쪽에 위치하고 있는 백색왜성의 중력효과는 안쪽에 위치하고 있는 백색왜성과 중성자별에서 약간의 차이를 보이게 될 것인데, 높은 정밀도로 측정된 펄서의 주기를 관측하면 그 여부를 쉽게 알 수 있을 것이다.

 

브리티쉬 컬럼비아 대학의 잉그리트 스테어(Ingrid Stairs)의 의견은 다음과 같다.
"펄서로부터 발생하는 전파를 이전에 유효했던것보다 훨씬 뛰어난 정도를 가진 여러 등급의 민감도를 이용하여  높은 정확도로 측정함으로써, 강등가원리와는 다르게 나타나는 편차를 테스트할 수 있습니다.
강등가원리로부터 발생하는 편차의 발견은 일반상대성이론의 붕괴를 촉발하게 될 것이며 우리를 새로운, 그리고 보다 정확한 중력이론으로 안내해줄 것입니다."

 

렌섬의 소감은 다음과 같다. 
"이 삼중성계는 삼중성계가 완벽하게 형성되기까지 겪어온 역사를 포함하여 여러가지 면에서 환상적인 삼중성계입니다.
우리는 이 삼중성계를 완전히 이해하기 위해서 훨씬 많은 노력을 기울여야 합니다.

 

렌섬과 아치발트, 스테어는 국제연구팀의 연구원들이며 그들의 발견은 1월 5일 네이처지 온라인 판에 발표되었다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2014년 1월 5일자
          https://public.nrao.edu/news/pressreleases/pulsar-in-stellar-triple-system

 

참고 : 다양한 펄서에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346988

 

 

원문>

Sunday, 5 January 2014, 1:00 p.m., EST 

(NOTE: PRESS CONFERENCE at 10:15 a.m, EST, Monday, 6 January 2014. 
For online access to press conference, contact Rick Fienberg, AAS Press Officer, at rick.fienberg@aas.org) 

Contact: Dave Finley, Public Information Officer 
(575) 835-7302; dfinley@nrao.edu 

Pulsar in a Stellar Triple System Makes Unique Gravitational Laboratory

Astronomers using the National Science Foundation's Green Bank Telescope (GBT) have discovered a unique stellar system of two white dwarf stars and a superdense neutron star, all packed within a space smaller than Earth's orbit around the Sun. The closeness of the stars, combined with their nature, has allowed the scientists to make the best measurements yet of the complex gravitational interactions in such a system.

In addition, detailed studies of this system may provide a key clue for resolving one of the principal outstanding problems of fundamental physics -- the true nature of gravity.

"This triple system gives us a natural cosmic laboratory far better than anything found before for learning exactly how such three-body systems work and potentially for detecting problems with General Relativity that physicists expect to see under extreme conditions," said Scott Ransom of the National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

West Virginia University graduate student Jason Boyles (now at Western Kentucky University) originally uncovered the pulsar as part of a large-scale search for pulsars with the GBT. Pulsars are neutron stars that emit lighthouse-like beams of radio waves that rapidly sweep through space as the object spins on its axis. one of the search's discoveries was a pulsar some 4200 light-years from Earth, spinning nearly 366 times per second.

Such rapidly-spinning pulsars are called millisecond pulsars, and can be used by astronomers as precision tools for studying a variety of phenomena, including searches for the elusive gravitational waves. Subsequent observations showed that the pulsar is in a close orbit with a white dwarf star, and that pair is in orbit with another, more-distant white dwarf.

"This is the first millisecond pulsar found in such a system, and we immediately recognized that it provides us a tremendous opportunity to study the effects and nature of gravity," Ransom said.

The scientists began an intensive observational program using the GBT, the Arecibo radio telescope in Puerto Rico, and the Westerbork Synthesis Radio Telescope in the Netherlands. They also studied the system using data from the Sloan Digital Sky Survey, the GALEX satellite, the WIYN telescope on Kitt Peak, Arizona, and the Spitzer Space Telescope.

"The gravitational perturbations imposed on each member of this system by the others are incredibly pure and strong," Ransom said. "The millisecond pulsar serves as an extremely powerful tool for measuring those perturbations incredibly well," he added.

By very accurately recording the time of arrival of the pulsar's pulses, the scientists were able to calculate the geometry of the system and the masses of the stars with unparalleled precision.

"We have made some of the most accurate measurements of masses in astrophysics," said Anne Archibald, of ASTRON - the Netherlands Institute for Radio Astronomy. "Some of our measurements of the relative positions of the stars in the system are accurate to hundreds of meters," she said. Archibald led the effort to use the measurements to build a computer simulation of the system that can predict its motions.

The research on this system used techniques dating back to those used by Isaac Newton to study the Earth-Moon-Sun system, combined with the "new" gravity of Albert Einstein, which was required to make the precise measurements. In turn, the scientists said, the system promises a chance to point the way to the next theory of gravity.

The system gives the scientists the best opportunity yet to discover a violation of a concept called the Equivalence Principle. This principle states that the effect of gravity on a body does not depend on the nature or internal structure of that body.

The most famous experiments illustrating the equivalence principle are Galileo's reputed dropping of two balls of different weights from the Leaning Tower of Pisa and Apollo 15 Commander Dave Scott's dropping of a hammer and a falcon feather while standing on the airless surface of the Moon in 1971. (While there is no confirmation that Galileo actually performed the experiment from the Leaning Tower, he did demonstrate the principle by rolling balls down inclined planes, an experiment that often is repeated in introductory physics laboratories.)

"While Einstein's Theory of General Relativity has so far been confirmed by every experiment, it is not compatible with quantum theory. Because of that, physicists expect that it will break down under extreme conditions," Ransom explained. "This triple system of compact stars gives us a great opportunity to look for a violation of a specific form of the equivalence principle called the Strong Equivalence Principle," he added.

When a massive star explodes as a supernova and its remains collapse into a superdense neutron star, some of its mass is converted into gravitational binding energy that holds the dense star together. The Strong Equivalence Principle says that this binding energy still will react gravitationally as if it were mass. Virtually all alternatives to General Relativity hold that it will not.

"This system offers the best test yet of which is the case," Ransom said.

Under the strong equivalence principle, the gravitational effect of the outer white dwarf would be identical for both the inner white dwarf and the neutron star. If the strong equivalence principle is invalid under the conditions in this system, the outer star's gravitational effect on the inner white dwarf and the neutron star would be slightly different and the high-precision pulsar timing observations could easily show that.

"By doing very high-precision timing of the pulses coming from the pulsar, we can test for such a deviation from the strong equivalence principle at a sensitivity several orders of magnitude greater than ever before available," said Ingrid Stairs of the University of British Columbia. "Finding a deviation from the Strong Equivalence Principle would indicate a breakdown of General Relativity and would point us toward a new, correct theory of gravity," she added.

"This is a fascinating system in many ways, including what must have been a completely crazy formation history, and we have much work to do to fully understand it," Ransom said.

Ransom, Archibald and Stairs were on an international team of researchers that reported their findings in the online edition of the journal Nature on January 5.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.