중력상수는 우주 어디에서나 동일한 것으로 보인다.

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

그림 1> 하나는 펄서, 하나는 백색 난쟁이별로 이루어진 짝별계에 대한 21년에 걸친 연구 결과 천문학자들은 우주 전역에서 중력이 어떻게 작용하는지를 이해하게 되었다.

이번 연구는 국립과학재단의 그린뱅크망원경과 아레시보천문대에서 진행되었다.

 

머나먼 펄서를 수십여년에 걸쳐 연구한 결과에 따르면 자연계를 구성하는 4가지 힘 중 하나인 중력은 우주 전역 어디에서나 항상 동일한 값을 가지는 것으로 보인다.

이번 연구는 우주론에 있어서 오랫동안 남아있는 질문인 "우주는 어디든, 언제든 일정한 중력을 가지는가?" 에 대한 질문에 답을 해 줄 수 있을 것으로 보인다.

그 답은 현재까지는 "그런 것처럼 보인다."는 것이다.

천문학자들은 국립과학재단의 그린뱅크망원경(Green Bank Telescope, 이하 GBT)과 아레시보 전파망원경을 이용하여 PSR J1713+0747로 알려져 있는 펄서의 지속적인 깜빡임을 21년간 정밀하게 측정해왔다.

이러한 지난한 연구끝에 태양계 바깥에서 지금까지 측정된 중력상수 중 가장 최상의 계산치가 도출되었다.

 

펄서는 무거운 별이 초신성 폭발이후 남은 고밀도 잔해로서 매우 빠르게 회전하는 천체를 말한다.

이들은 자기극점에서 쏟아져나오는 펄서의 회전에 따라 우주전역을 휩쓸고 지나가는 라디오파에 의해 지구에서 감지된다.

 

이들은 놀랍도록 무겁고 고밀도이면서 상대적으로 매우 작은, 지름 20~25킬로미터 수준밖에 되지 않기 때문에 몇몇 펄서들은 자신들의 회전율을 지구에서 최상의 정밀도를 자랑하는 원자시계만큼이나 일정하게 유지할 수 있다.

이러한 성질은 펄서를 우주와 시간, 중력의 기본 속성을 연구할 수 있는 최상의 우주실험실로 만들어주고 있다.

 

이번 연구의 대상이 된 특별한 펄서는 지구로부터 3,750광년 거리에 위치하고 있다.

이 펄서는 백색 난쟁이별을 짝별로 거느리고 있는, 지금까지 알려진 펄서 중 가장 밝고 가장 안정된 펄서 중 하나이다.

 

이전에 수행된 연구들은 이 펄서가 백색 난쟁이별과 함께 68일을 주기로 공전하고 있음을 알려주고 있는데, 이러한 현상은 이 짝별계를 구성하는 별들이 독특하게 넓은 공전궤도를 공유하고 있음을 의미하는 것이었다.

 

이처럼 넓은 거리로 떨어져 있는 것은 중력 연구에 있어 핵심이 되는 조건이다.
왜냐하면 이런 경우 중력 복사 효과 - 아인슈타인에 의해 예견된, 공전 궤도상의 속력이 중력파로 지속적으로 변환되는 현상 - 가 대단히 미약해서 펄서의 궤도 상에 미치는 영향은 무시할 수 있을만한 수준이 되기 때문이다.

궤도의 변화가 이보다 더 현저하게 나타났다면 펄서 시간 간격의 정확성을 실험하는데는 혼란을 야기시켰을 것이다.

 

아스트로피지컬 저널에 개재가 수락된 연구논문의 주저자이자 전임 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 천문학자인 주웨이웨이(Weiwei Zhu)의 설명은 다음과 같다.
"이 별폭발 잔해의 불가사이한 일관성은 중력의 근본적 힘이 우주 어디서나 일관성있게 존재한다는 흥미로운 증거를 제공해주고 있습니다.
이번 관측은 우주론과 물리계의 근본적 힘에 대한 매우 중요한 의미를 담고 있습니다."

이번 논문의 공동저자인 국립전파천문대의 천문학자 스콧 랜섬(Scott Ransom)의 설명은 다음과 같다.
"중력은 별들과 행성들, 그리고 은하들을 서로 묶는 힘입니다.
비록 이 힘이 지구에서는 우주 어디에서나 일정한 것처럼 보여도 우주론의 어떤 이론들은 중력이 항상 변하거나 우주의 다른 지점에서 다르게 나타날지도 모른다고 얘기하고 있습니다.

이번 실험을 통해 수집된 데이터는 멀리 떨어진 우주에서도 중력상수가 변하지 않는다는 사실과 일맥상통한 결과를 보여주고 있다.

우리 태양계 내에서 이와 관련하여 진행된 이전의 실험들은 지구와 달간의 거리를 레이저를 이용하여 정확하게 측정하는 것에 기반을 두고 있는데 이 실험 결과 역시 모든 시간에 걸쳐 중력상수가 일정하다는 것을 알려주고 있다.

이번 논문의 공동저자인 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 잉그리드 스테어스(Ingrid Stairs)의 설명은 다음과 같다.
"이번 연구 결과는 우리로 하여금 이 우주에 중력적으로 다른 행동양상을 보이는 뭔가 특별한 시대와 특별한 지역이 존재할 것이라는 가설을 배제하도록 만들고 있습니다.
일반상대성이론과는 다른 중력이론들은 종종 이와 같은 예견을 하고 해왔습니다.

그리고 우리는 이러한 이론들을 설명하는 매개변수에 새로운 제약사항들을 두어왔죠. "

 

주웨이웨이의 결론은 다음과 같다.
"중력상수는 물리학의 기본이 되는 상수입니다.
따라서 서로 다른 장소와 시간, 그리고 서로 다른 중력적 조건하에 있는 천체들을 이용하여 이러한 기본 가정을 실험해 보는 것은 매우 중요합니다.
우리가 태양계에서 보는 중력의 작용 양상이 머나먼 우주에서도 동일하게 나타난다는 사실은 중력상수야말로 진정한 우주의 속성이라는 사실을 확정해주고 있습니다."

 

 

Credit: NRAO/AUI/NSF

사진 1> 국립전파천문대를 구성하고 있는 국립과학재단의 로버트 C. 버드 그린뱅크 망원경

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 8월 6일자 
          https://public.nrao.edu/news/pressreleases/gravitation-gbt-pulsar

 

참고 : PSR J1713+0747를 비롯한 각종 펄서에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12347923 

참고 : 우주론에 관한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

원문>

For Release: August 6, 2015

Gravitational Constant Appears Universally Constant, Pulsar Study Suggests

Gravity, one of the four fundamental forces of nature, appears reassuringly constant across the Universe, according to a decades-long study of a distant pulsar. This research helps to answer a long-standing question in cosmology: Is the force of gravity the same everywhere and at all times? The answer, so far, appears to be yes.

Astronomers using the National Science Foundation’s (NSF) Green Bank Telescope (GBT) in West Virginia and its Arecibo Observatory in Puerto Rico conducted a 21-year study to precisely measure the steady "tick-tick-tick" of a pulsar known as PSR J1713+0747. This painstaking research produced the best constraint ever of the gravitational constant measured outside of our Solar System.

Pulsars are the rapidly spinning, superdense remains of massive stars that detonated as supernovas. They are detected from Earth by the beams of radio waves that emanate from their magnetic poles and sweep across space as the pulsar rotates. Since they are phenomenally dense and massive, yet comparatively small – a mere 20–25 kilometers across – some pulsars are able to maintain their rate of spin with a consistency that rivals the best atomic clocks on Earth. This makes pulsars exceptional cosmic laboratories to study the fundamental nature of space, time, and gravity.

This particular pulsar is approximately 3,750 light-years from Earth. It orbits a companion white dwarf star and is one of the brightest, most stable pulsars known. Previous studies show that it takes about 68 days for the pulsar to orbit its white dwarf companion, meaning they share an uncommonly wide orbit. This separation is essential for the study of gravity because the effect of gravitational radiation – the steady conversion of orbital velocity to gravitational waves as predicted by Einstein – is incredibly small and would have negligible impact on the orbit of the pulsar. A more pronounced orbital change would confound the accuracy of the pulsar timing experiment.

"The uncanny consistency of this stellar remnant offers intriguing evidence that the fundamental force of gravity – the big 'G' of physics – remains rock-solid throughout space," said Weiwei Zhu, an astronomer formerly with the University of British Columbia in Canada and lead author on a study accepted for publication in the Astrophysical Journal. "This is an observation that has important implications in cosmology and some of the fundamental forces of physics."

"Gravity is the force that binds stars, planets, and galaxies together," said Scott Ransom, a co-author and astronomer with the National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Va. "Though it appears on Earth to be constant and universal, there are some theories in cosmology that suggest gravity may change over time or may be different in different corners of the Universe."

The data taken throughout this experiment are consistent with an unchanging gravitational constant in a distant star system. Earlier related research in our own Solar System, which was based on precise laser ranging studies of the Earth-Moon distance, found the same consistency over time.

"These results – new and old – allow us to rule out with good confidence that there could be 'special' times or locations with different gravitational behavior," added Ingrid Stairs, a co-author from the University of British Columbia in Canada. "Theories of gravity that are different from general relativity often make such predictions, and we have put new restrictions on the parameters that describe these theories."

Zhu concluded: "The gravitational constant is a fundamental constant of physics, so it is important to test this basic assumption using objects at different places, times, and gravitational conditions. The fact that we see gravity perform the same in our Solar System as it does in a distant star system helps to confirm that the gravitational constant truly is universal."

This work was part of the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), a Physics Frontiers Center funded by the NSF.

The GBT is located in the National Radio Quiet Zone, which protects the incredibly sensitive telescope from unwanted radio interference, enabling it to study pulsars and other astronomical objects.

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

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Contact: Charles E. Blue
(434) 296-0314; cblue@nrao.edu