은하의 진화와 충돌병합에 대한 통찰을 제공해주는 중력파 탐사

 

 

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

 

동영상> 이 동영상에서 지구는 머나먼 은하의 초거대질량 이중블랙홀로부터 발생한 저주파 중력파에 의해 지속적으로 흔들리고 있다.

천체물리학자들은 이 중력파동으로부터 발생하는 지구의 움직임을 측정하기 위한 은하 크기의 탐지기로서 펄서들을 활용하고 있다.

 

중력파 관측을 위한 북아메리카 나노헤르츠 천문대(the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, 이하 NANOGrav)의 새로운 관측 결과에 따르면  저주파 중력파를 관측하는데 있어 천체물리학적으로 의미가 있는 중요한 한계치가 수립되었다고 한다. 
이번 결과는 은하가 얼마나 자주 충돌하는지, 그리고 충돌하는 은하들이 오랜 시간에 걸쳐 어떻게 진화해가는지에 대한 통찰을 제공해 주고 있다. 
이번 결과를 얻기 위해 과학자들은 현존하는 전파망원경 중 가장 높은 민감도를 자랑하는 두 개의 전파망원경인 그린뱅크망원경(the Green Bank Telescope)과 아레시보천문대(the Arecibo Observatory)에 의해 수행된 9년에 걸친 펄서 관측 캠패인의 자료를 사용하였다. 

         
최근 태양 질량의 10배 정도되는 블랙홀 간의 충돌로부터 발생한 중력파가 시공간에 관측 및 측량 가능한 왜곡을 발생시켰다는 라이고(LIGO)의 관측이 검증 및 확정된 바 있다.[1]

 

NANOGrav의 과학자들은 지난 10여년 동안 라이고에 의해 중력파가 검출된 블랙홀보다 수백만 배의 질량을 가진 이중블랙홀로부터 발생하는 저주파 중력파에 대한 연구를 진행해왔다.
NANOGrav 9년치 데이터에 대한 분석 결과는 우주 전역에서 탐사의 대상이 된 초거대질량의 이중블랙홀 분포 자체가 매우 제한적이라는 것을 보여주고 있다.

 

은하들이 얼마나 자주 충돌합병을 하게 되는지에 대해 현재까지 과학자들이 이해하고 있는 내용에 비하면 이번 제한치는 지금까지 예견된 것보다 관측가능한 초거대질량의 이중블랙홀이 훨씬 적다는 것을 보여주고 있다.

 

이번 결과는 어떻게 은하와 그 중심에 자리잡고 있는 블랙홀이 상호 진화를 진행하는지에 대한 이해에 상당한 충격을 주었다.

 

저주파 중력파는 감지하기가 매우 어렵다.
그 파장이 수 광년 폭으로 펼쳐지며 이러한 파동을 만들어내는 이중 블랙홀이 하늘 전역에 퍼져 있는 은하에서 발견되기 때문이다.

그런데 이 거대 이중블랙홀을 모두 합하면 중력파의 여운은 지속적으로 유지되는 상태가 되고, 바로 이것을 지구에서 탐지가능할 것이라고 예측되고 있다.

 

천체물리학자들은 이러한 효과를 "예측상의 중력파배경복사(stochastic gravitational wave background)"라 부르며 이를 감지하기 위해서는 특별한 분석 기술이 필요하다고 생각하고 있다.

펄서는 초신성 폭발이후 남겨진 무거운 별의 핵이다.

가장 빠른 펄서는 초당 수백 회의 회전을 하며 매 수천분의 1초마다 라디오 파동을 복사해낸다.

 

바로 이 밀리세컨드 펄서(millisecond pulsars, 이하 MSPs)는 자연이 만들어낸 가장 정확한 시계로 간주되며 중력파로부터 발생하는 작은 신호를 감지해내는데 이상적인 도구로 추정되고 있다. 
 
NASA 제트추진연구소의 아인슈타인 연구원이자 캘리포니아 기술연구소 소속이며, 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)에 개재된 논문의 공동저자인 저스틴 엘리스(Justin Ellis)는 중력파배경복사는 MSPs에 독특한 흔적을 남기기 때문에 이를 측정해내는 것이 가능하다고 말했다.

천체물리학자들은 얼마나 자주 은하들이 충돌하고 초거대질량의 이중블랙홀이 만들어지는지를 예측하기 위해 여러 컴퓨터 모델을 사용하고 있다.

이 모델들은 확률적 중력파배경복사의 강도를 예측할 때 이중블랙홀이 어떻게 진화하는지에 대한 몇몇 단순화한 가정사항을 활용하고 있다.

 

은하의 충돌합병과 그 배경에 깔린 제약 사항에 대한 정보를 이용하여 과학자들은 이중블랙홀의 진화에 대한 가정 사항을 개선해나가고 있다.

엘리스의 설명은 다음과 같다.
"9년간 수집한  MSPs의 데이터에서 우리는 이 예측상의 중력파배경복사를 탐지해내지는 못했습니다.                 
하지만 우리는 현재의 은하진화모델을 기반으로 하여 여러 가설들을 배제해 나가기 시작했죠.

지금 우리는 중력파배경복사를 감지할 수 없는 곳에 서 있지만 이러한 상황은 사실 이중블랙홀의 진화에 대한 우리의 이해를 향상시켜나가는데 도움을 주고 있습니다."                 

 

국립전파천문대의 얀스키 연구원이자 이번 논문의 공동저자인 사라 부르케 스포라오르(Sarah Burke Spolaor)는 NANOGrav와 같은 펄서의 시차측정 배열은 우주의 진화와 그 성격에 대한 값진 관측을 할 수 있다고 말했다.
스포라오르에 따르면 지금 중력배경복사를 탐지해내지 못하는 상황에 대한 이유로 두 가지 가능성이 있다고 말했다.

스포라오르의 설명은 다음과 같다.
"몇몇 초거대질량 이중블랙홀은 서로 원형 궤도를 돌지 않을 수도 있으며 주위의 가스 또는 별들과 상당한 상호작용을 진행중일 수도 있습니다.
이러한 요소들은 과거 우리가 예측해왔던 단순화된 모델보다 훨씬더 빨리 블랙홀간의 충돌을 만드는 원인이 될 수 있죠."
 
또다른 가설은 이 이중블랙홀 중 상당수가 관측 가능한 중력파배경복사를 복사해내기 어려울만큼 서로 천천히 돌고 있기 때문이라고 추측하고 있다.

 

NANOGrav는 현재 국립과학재단의 그린뱅크망원경과 푸레르토리코에 있는 아레시보 천문대의 전파망원경을 이용하여 54개 펄서에 대한 모니터링을 계속하고 있다.
이 두 개 망원경은 해당 관측 대역에서 가장 높은 감도를 자랑하는 망원경들이다.

 

이들의 펄서 배열은 새로운 MSPs가 발견될때까지 지속적으로 폭을 늘려가고 있다.

게다가 유럽과 호주의 전파 천문학 협력단이 국제 펄서 시차 배열의 일환으로 보다 많은 펄서의 관측에 참여하고 있다.

 

엘리스는 이처럼 지속되는 기선의 연장과 이로인해 향상되는 전파관측 민감도로 인해 최소 5년 내 중력파배경복사의 감지가 가능할 것으로 예측하고 있다.

이번 측정치는 우주 전역에 걸쳐 밀도높은 얇은 선처럼 뻗어 있는 우주끈의 속성을 한정하는데도 도움이 된다.

여러 이론가들은 이 우주끈이 우주의 발생 두번째 단계의 초기부터 진화해왔다고 생각하고 있다.

 

이 우주끈들은 고리를 형성할 수 있으며 그후 중력파복사를 통해 붕괴하게 된다.

우주끈의 장력에 대해 가장 보수적으로 설정한 NANOGrav 한계치는 아직까지는 가장 강도높은 수준이다.
이는 NANOGrav의 운용이 계속될수록 지속적으로 개선될 것이다.

 

NRAO의 천문학자 스콧 랜섬( Scott Ransom)의 설명은 다음과 같다.
"NANOGrav의 결과는 가장 중요한 천체물리학적 의미를 가지고 있습니다.
우리의 관측 능력이 향상될수록 우주의 속삭임을 들을 수 있는 중요한 지점에 점점 가까이 다가서고 있죠.
그곳에 다다르게 되면 우리는 우주적 견지에서 완전히 새로운 유형의 물리학적 실험을 할 수 있게 될 것이고 이를 통해 우주를 향한 새로운 창을 열어젖히게 될 것입니다.
마치 라이고가 고주파 중력파에 대해 새로운 성과를 이뤄낸것처럼 말입니다."
 
NANOGrav는 저주파 중력파 감지를 목표로 미국과 캐나다의 10여개 연구소, 60명 이상의 과학자들이 참여하고 있는 협력사업이다.

이 협력연구단은 라디오 펄서 시차 관측을 통해 시공간의 결에 나타나는 파동을 탐사하고 있다.

 

2015년 NANOGrav는 국립과학재단으로부터 1,450만달러를 지원받아 첨단물리학센터(Physics Frontiers Center)를 개설, 운용하고 있다. 

 

첨단물리학센터의 프로그램 감사를 맡고 있는 국립과학재단의 프로그램 감독 진 코탐 알렌(Jean Cottam Allen)의 소감은 다음과 같다.
"첨단물리학센터는 첨단 과학 영역에 사람들이 참여할 수 있도록 지원하고 있습니다.
저주파 중력파를 연구하는 NANOGrav의 작업은 아주 훌륭한 예죠.
우리는 지금까지 이들이 진척시켜온 연구과정에 만족하고 있으며 앞으로 이들이 이끌어낼 성과에도 많은 기대를 하고 있습니다."

 

각주

 

[1] 라이고(LIGO)는 중력파 탐지를 위한 레이저 간섭계(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)의 줄임말이다.

(https://www.ligo.caltech.edu)

중력파 탐지에 대한 뉴스 보도 링크 : http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=137628&org=NSF&from=news

한국어 뉴스 :  https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/293/original/Press_Release_Korean.pdf?1455063294

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2016년 4월 5일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/2016-nanograv-sbr

 

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

 

원문>

5 April 2016

Gravitational Wave Search Provides Insights into Galaxy Evolution and Mergers

Summary: New results from NANOGrav – the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves – establish astrophysically significant limits in the search for low-frequency gravitational waves. This result provides insight into how often galaxies merge and how those merging galaxies evolve over time. To obtain this result, scientists required an exquisitely precise, nine-year pulsar-monitoring campaign conducted by two of the most sensitive radio telescopes on Earth, the Green Bank Telescope in West Virginia and the Arecibo Observatory in Puerto Rico.

The recent LIGO detection of gravitational waves from merging black holes with tens of solar masses has confirmed that distortions in the fabric of space-time can be observed and measured [1]. Researchers from the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) have spent the past decade searching for low-frequency gravitational waves emitted by black hole binaries with masses many millions of times larger than those seen by LIGO.

Analysis of NANOGrav's nine-year dataset provides very constraining limits on the prevalence of such supermassive black hole binaries throughout the Universe. Given scientists’ current understanding of how often galaxies merge, these limits point to fewer detectable supermassive black hole binaries than were previously expected. This result has significant impacts on our understanding of how galaxies and their central black holes co-evolve.

Low-frequency gravitational waves are very difficult to detect, with wavelengths spanning light-years and originating from black hole binaries in galaxies spread across the sky. The combination of all these giant binary black holes leads to a constant "hum" of gravitational waves that models predict should be detectable at Earth. Astrophysicists call this effect the "stochastic gravitational wave background," and detecting it requires special analysis techniques.

Pulsars are the cores of massive stars left behind after stars go supernova. The fastest pulsars rotate hundreds of times each second and emit a pulse of radio waves every few milliseconds. These millisecond pulsars (MSPs) are considered nature's most precise clocks and are ideal for detecting the small signal from gravitational waves. "This measurement is possible because the gravitational wave background imprints a unique signature onto the radio waves seen from a collection of MSPs," said Justin Ellis, Einstein Fellow at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology in Pasadena, California, and a co-author on the report published in Astrophysical Journal.

Astrophysicists use computer models to predict how often galaxies merge and form supermassive black hole binaries. Those models use several simplifying assumptions about how black hole binaries evolve when they predict the strength of the stochastic gravitational wave background. By using information about galaxy mergers and constraints on the background, the scientists are able to improve their assumptions about black hole binary evolution.

Ellis continues: "After nine years of observing a collection of MSPs, we haven't detected the stochastic background but we are beginning to rule out many predictions based on current models of galaxy evolution. We are now at a point where the non-detection of gravitational waves is actually improving our understanding of black hole binary evolution."

"Pulsar timing arrays like NANOGrav are making novel observations of the evolution and nature of our Universe," says Sarah Burke Spolaor, Jansky Fellow at the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Socorro, New Mexico, and a co-author on the paper.

According to Spolaor, there are two possible interpretations of this non-detection. “Some supermassive black hole binaries may not be in circular orbits or are significantly interacting with gas or stars. This would drive them to merge faster than simple models have assumed in the past,” she said. An alternate explanation is that many of these binaries inspiral too slowly to ever emit detectable gravitational waves.

NANOGrav is currently monitoring 54 pulsars, using the National Science Foundation's Green Bank Telescope in West Virginia and Arecibo Radio Observatory in Puerto Rico, the two most sensitive radio telescopes at these frequencies [2]. Their array of pulsars is continually growing as new MSPs are discovered. In addition, the group collaborates with radio astronomers in Europe and Australia as part of the International Pulsar Timing Array, giving them access to many more pulsar observations. Ellis estimates that this increase in sensitivity could lead to a detection in as little as five years.

In addition, this measurement helps constrain the properties of cosmic strings, very dense and thin cosmological objects, which many theorists believe evolved when the Universe was just a fraction of a second old. These strings can form loops, which then decay through gravitational wave emission. The most conservative NANOGrav limit on cosmic string tension is the most stringent limit to date, and will continue to improve as NANOGrav continues operating.

"These new results from NANOGrav have the most important astrophysical implications yet," said Scott Ransom, an astronomer with the NRAO in Charlottesville, Virginia. "As we improve our detection capabilities, we get closer and closer to that important threshold where the cosmic murmur begins to be heard. At that point, we’ll be able to perform entirely new types of physics experiments on cosmic scales and open up a new window on the Universe, just like LIGO just did for high-frequency gravitational waves."

NANOGrav is a collaboration of over 60 scientists at over a dozen institutions in the United States and Canada whose goal is detecting low-frequency gravitational waves to open a new window on the Universe. The group uses radio pulsar timing observations to search for the ripples in the fabric of spacetime. In 2015, NANOGrav was awarded $14.5 million by the National Science Foundation (NSF) to create and operate a Physics Frontiers Center.

TThe Physics Frontier Centers bring people together to address frontier science, and NANOGrav’s work in low-frequency gravitational wave physics is a great example," said Jean Cottam Allen, the NSF program director who oversees the Physics Frontiers Center program. "We’re delighted with their progress thus far, and we’re excited to see where it will lead."

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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Notes

[1] LIGO is the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (https://www.ligo.caltech.edu)
Press Release: Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=137628&org=NSF&from=news

[2] National Science Foundation (http://www.nsf.gov)
Press Release: Advancing physics frontiers: Newest collaborative centers set to blaze trails in basic research
http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=134586

Reference:
"The NANOGrave Nine-year Data Set: Limits on the Isotropic Stochastic Gravitational Wave Background," Z. Arzoumanian et al., 2016, appears in the Astrophysical Journal [http://iopscience.iop.org/journal/0004-637X].

Contacts:
Elizabeth Ferrara
NANOGrav press officer
elizabeth.ferrara@nanograv.org 
301-286-7057

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NRAO Public Information Officer
cblue@nrao.edu  
(434) 296-0314