시공간 거품 : NASA의 망원경들이 시공간 양자 거품의 한계치를 설정하다.

 

Credit : NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

 

• X선과 감마선을 이용한 먼 거리 퀘이사 관측이 극도로 미세한 영역에서 시공간을 실험하기 위해 사용되었다.

 

• 어떤 모델은 매우 작은 거품의 크기가 원자 핵보다 천조 배나 작을 것으로 예견하고 있다.

 

• 이러한 '시공간 거품(space-time foam)'은 직접적인 관측이 불가능하다. 따라서 과학자들은 이 아이디어를 실험하기 위해 다른 방법을 사용하고 있다.
   

 최근 보도에 따르면 NASA의 찬드라 X선 망원경과 페르미 감마선 망원경 그리고 고에너지 복사 화상화 망원경 배열 (the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array, 이하 VERITAS)의 데이터를 이용한 새로운 연구가 과학자들로 하여금 극도로 미세한 영역에서 나타나는 시공간의 양자적 본성을 한정하는데 도움을 주었다고 한다.

 

양자 역학의 특정 분야에서는 시공간 - 3차원의 공간 더하기 시간 - 이 수소 원자 지름의 10 X 1/십억 X 1/조에 달하는 미세한 영역에서는 전혀 균일하지 않을 것이라고 예견하고 있다. 
 
과학자들은 이처럼 극도로 미세한 영역에 존재할지도 모를 구조를 "시공간 거품(space-time foam)"이라 부른다. 
 
이 상상화는 이 거품 구조들이 시공간 상에서 어떻게 나타나는지를 묘사해 본 것으로 원자보다 1천조 배나 작은 미세한 거품들이 지속적으로 요동치며 무한소의 짧은 순간동안 지속되는 양상을 표현하고 있다.

 

시공간의 거품은 너무나 작기 때문에 이를 직접적으로 관측하는 것은 불가능하다.

 

그러나 시공간의 소진 모델에 입각하면 엄청난 우주적 거리를 가로질러오는 빛은 이 눈에 보이지 않는 거품들에 의해 어떤 식으로든 영향을 받을 것이며 이를 과학자들이 분석할 수 있을 것으로 보고 있다.

보다 구체적으로, 몇몇 모델들은 수십억광년을 가로질러 오는 빛의 거리에 따라 누적된 불확정성이 화상의 질을 악화시켜 대상 천체를 감지할 수 없게 만들수도 있다고 예측하기도 한다.

대상의 화상이 사라진 그 파장대가 바로 시공간 거품이 소진된 모델에 따른 것일 수 있다는 것이다.

 

과학자들은 매우 멀리 떨어진 퀘이사를 X선이나 감마선을 이용하여 관측하면서 시공간의 균일성과 구조에 대한 모델을 테스트하고 있다.
- 퀘이사란 초거대질량의 블랙홀에 물질들이 추락하면서 만들어진 밝은 빛의 원천이 되는 천체를 말한다.

수십억 광년 거리에 위치하는 6개의 퀘이사에 대한 찬드라 X선 망원경의 관측 데이터가 미세영역의 시공간을 묘사한 그림  상단에 보인다.

여기에서는 광자가 마치 빛이 안개를 통과하면서 흐러지는 것과 유사한 방식으로 시공간 거품을 통과할 때 무작위로 흐려지는 현상이 나타남에 따라 하나의 시공간 거품 모델은 배제되었다.

좀더 짧은 파장인 페르미 위성의 감마선 관측 데이터나 이보다 훨씬 더 짧은 파장을 다루는 VERITAS의 파장에서 이뤄진 이 머나먼 퀘이사의 관측을 통해 빛이 덜 흐려진다는 내용을 담은 두번째 모델인 이른바 홀로그래픽 모델이 작동하지 않는다는 것이 입증되었다.

 

이번 연구 결과는 5월 20일 아스트로피지컬 저널에 개재되었으며 온라인상에서도 볼 수 있다.

 

이번 논문의 저자들은 다음과 같다.

Eric Perlman (Florida Institute of Technology), Saul Rappaport (Massachusetts Institute of Technology), Wayne Christensen (University of North Carolina), Y. Jack Ng (University of North Carolina), John DeVore (Visidyne), David Pooley (Sam Houston State University).

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Photo Album  2015년 5월 28일
         http://chandra.harvard.edu/photo/2015/quantum/

 

참고 : 다양한 퀘이사에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346987

 

 

원문>

Space-time Foam: NASA Telescopes Set Limits on Space-time Quantum Foam

A new study combining data from NASA's Chandra X-ray Observatory and Fermi Gamma-ray Telescope, and the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array (VERITAS) in Arizona is helping scientists set limits on the quantum nature of space-time on extremely tiny scales, as explained in our latest press release.

Certain aspects of quantum mechanics predict that space-time - the three dimensions of space plus time -- would not be smooth on the scale of about ten times a billionth of a trillionth of the diameter of a hydrogen atom's nucleus. They refer to the structure that may exist at this extremely small size as "space-time foam." This artist's illustration depicts how the foamy structure of space-time may appear, showing tiny bubbles quadrillions of times smaller than the nucleus of an atom that are constantly fluctuating and last for only infinitesimal fractions of a second.

Because space-time foam is so small, it is impossible to observe it directly. However, depending on what model of space-time is used, light that has traveled over great cosmic distances may be affected by the unseen foam in ways that scientists can analyze. More specifically, some models predict that the accumulation of distance uncertainties for light traveling across billions of light years would cause the image quality to degrade so much that the objects would become undetectable. The wavelength where the image disappears should depend on the model of space-time foam used.

The researchers used observations of X-rays and gamma-rays from very distant quasars - luminous sources produced by matter falling towards supermassive black holes - to test models of the smoothness and structure of space-time. Chandra's X-ray detection of six quasars, shown in the upper part of the graphic, at distances of billions of light years, rules out one model, according to which photons diffuse randomly through space-time foam in a manner similar to light diffusing through fog. Detections of distant quasars at shorter, gamma-ray wavelengths with Fermi and even shorter wavelengths with VERITAS demonstrate that a second, so-called holographic model with less diffusion does not work.

These results appeared in the May 20th issue of The Astrophysical Journal and are available online. The authors of this study are Eric Perlman (Florida Institute of Technology), Saul Rappaport (Massachusetts Institute of Technology), Wayne Christensen (University of North Carolina), Y. Jack Ng (University of North Carolina), John DeVore (Visidyne), and David Pooley (Sam Houston State University).

NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for the agency's Science Mission Directorate in Washington. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations.

 

Fast Facts for BR 0331-1622:
Credit	NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss
Release Date	May 28, 2015
Scale	Image is 1 arcmin across. (about 1.34 million light years)
Category	Quasars & Active Galaxies
Coordinates (J2000)	RA 03h 34m 13.40s | Dec -16° 12' 04.80"
Constellation	Eridanus
Observation Dates	17 Jun 2003
Observation Time	1 hours 23 min
Obs. IDs	4064
Instrument	ACIS
References	Perlman, E. et al, 2015, ApJ, 805, 10; arXiv:1411.7262
Color Code	X-ray: Blue

Distance Estimate

About 12.32 billion light years (z=4.36)

Fast Facts for BR 0353-3820: Credit  NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss Release Date  May 28, 2015 Scale  Image is 1 arcmin across. (about 1.31 million light years) Category  Quasars & Active Galaxies Coordinates (J2000)  RA 03h 55m 04.90s | Dec -38° 11' 42.30" Constellation  Eridanus Observation Dates  10 Sep 2003 Observation Time  1 hours 7 min Obs. IDs  4065 Instrument  ACIS References  Perlman, E. et al, 2015, ApJ, 805, 10; arXiv:1411.7262 Color Code  X-ray: Blue Distance Estimate  About 12.39 billion light years (z=4.55)

Fast Facts for BR 0418-5723: Credit  NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss Release Date  May 28, 2015 Scale  Image is 1 arcmin across. (about 1.33 million light years) Category  Quasars & Active Galaxies Coordinates (J2000)  RA 04h 19m 50.90s | Dec -57° 16' 13.10" Constellation  Reticulum Observation Dates  17 Jun 2004 Observation Time  1 hours 7 min Obs. IDs  4066 Instrument  ACIS References  Perlman, E. et al, 2015, ApJ, 805, 10; arXiv:1411.7262 Color Code  X-ray: Blue Distance Estimate  About 12.35 billion light years (z=4.46)

Fast Facts for BR 0424-2209: Credit  NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al Release Date  May 28, 2015 Scale  Image is 1 arcmin across. (about 1.34 million light years) Category  Quasars & Active Galaxies Coordinates (J2000)  RA 04h 26m 10.30s | Dec -29° 00' 28.00" Constellation  Eridanus Observation Dates  14 Dec 2002 Observation Time  24 hours 23 min (1 day 23 min) Obs. IDs  4067 Instrument  ACIS References  Perlman, E. et al, 2015, ApJ, 805, 10; arXiv:1411.7262 Color Code  X-ray: Blue Distance Estimate  About 12.3 billion light years (z=4.32)

Fast Facts for PSS 0747+4434: Credit  NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss Release Date  May 28, 2015 Scale  Image is 1 arcmin across. (about 1.33 million light years) Category  Quasars & Active Galaxies Coordinates (J2000)  RA 07h 47m 49.70s | Dec +44° 34' 20.10" Constellation  Lynx Observation Dates  17 Dec 2002 Observation Time  24 hours 23 min (1 day 23 min) Obs. IDs  4068 Instrument  ACIS References  Perlman, E. et al, 2015, ApJ, 805, 10; arXiv:1411.7262 Color Code  X-ray: Blue Distance Estimate  About 12.34 billion light yeras (z=4.43)

Fast Facts for PSS 1058+1245: Credit  NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss Release Date  May 28, 2015 Scale  Image is 1 arcmin across. (about 1.34 million light years) Category  Quasars & Active Galaxies Coordinates (J2000)  RA 10h 58m 58.40s | Dec +12° 45' 54.80" Constellation  Leo Observation Dates  02 Mar 2003 Observation Time  24 hours 23 min (1 day 23 min) Obs. IDs  4069 Instrument  ACIS References  Perlman, E. et al, 2015, ApJ, 805, 10; arXiv:1411.7262 Color Code  X-ray: Blue Distance Estimate  About 12.3 billion light years (z=4.33)