중력파의 새로운 물결 | 우주

ㅏ약 100 억 조 조 밀리 초 빅뱅의 창조가 시작될 때 우주는 짧지 만 터무니없이 빠른 성장을 경험 한 것으로 생각됩니다. 인플레이션이라고 불리는이 사건은 너무 재앙 적이 어서 공간과 시간의 구조가 중력파 (GW)에 맞춰 조정되었습니다. 그에 비해 6 년 전에 처음 발견 된 GW는 블랙홀 충돌로 인한 작은 문제인 큰 폭로를 일으키고있었습니다. 하지만 이제 과학자들은 유럽에 있습니다 우주 ESA는 더 큰 목표를 목표로 삼고 있으며, 지금까지 만들어진 가장 큰 도구를 사용하여 약 140 억 년 후 우주의 인플레이션으로 인한 고통의 희미한 에코를 곧 감지 할 수 있기를 희망합니다. 지구보다 수백 배 더 큰 Esa의 계획된 중력파 탐지기는 우주에 떠다니며 모든 종류의 거대한 천체 물리적 경련으로 인한 시공간의 진동을 검색합니다.

첫 번째 GW는 2015 년 레이저 간섭계 중력파 관측소 (Ligo)에 의해 확인되었습니다.이 프로젝트는 성공으로 2017 년 노벨 물리학상을 주요 지지자 3 명에게 수상했습니다. Ligo는 미국 워싱턴 주와 루이지애나 주에있는 두 개의 거대한 감지기로 구성됩니다. 그들은 각각 직각으로 교차하는 2 개의 2.5 마일 (4km) 터널을 배치합니다.이 터널에서는 레이저 빔이 맨 끝에있는 거울을 따라 이동 한 다음 반사됩니다. 돌아 오는 광파는 팔이 교차 할 때 서로 간섭합니다. GW가 통과하면 매우 약간 줄어들거나 시공간이 늘어납니다. 이 효과는 팔마다 다르기 때문에 광파의 동기화를 변경하여 두 빔의 간섭을 변경합니다.

LEGO는 혼자가 아닙니다. 2015 년 크리스마스에 두 번째 GW 발견은 나중에 이탈리아에 기반을 둔 유럽 탐지기 Virgo와 협력하여 확인되었습니다. 일본에서 Kagra라는 감지기가 작년 초에 가동되기 시작했으며 다른 장치는 인도와 중국에서 계획 중입니다.

지금까지 본 대부분의 블랙홀은 두 블랙홀의 충돌로 인해 발생한 것으로 보입니다. 이 별들은 자체 중력의 영향으로 타거나 붕괴 된 우리 태양보다 몇 배나 더 무거운 별들로 이루어져 있습니다. 중력을 질량으로 인한 시공간의 왜곡이라고 설명하는 Albert Einstein의 일반 상대성 이론에 따르면, 붕괴는 매우 조밀 한 “특이점”만 남을 때까지 계속 될 수 있으며, 이는 빛조차도 할 수 없을 정도로 강렬한 중력장을 생성합니다. 탈출. 그로부터.

두 개의 블랙홀이 서로의 중력으로 인해 충돌하면 서로 궤도를 돌고 결합 될 때까지 점차 안쪽으로 가늘어집니다. 일반 상대성 이론은 LIGO가 발견 될 때까지 직접적인 증거가 없었지만 그러한 사건이 우주를 통해 GW 파동을 보낼 것이라고 1 세기 이상 전에 예측했습니다. 그것들은 중성자 별 합병과 같은 다른 극단적 인 천체 물리 현상에 의해서도 발생할 수 있습니다. 블랙홀보다 무게가 적은 타오르는 별은 밀도가 너무 높아서 사람의 골무 무게가 50m에 달하는 지점에서 붕괴를 막았습니다. 코끼리.

GW는 훨씬 더 큰 물체에 의해 생성 될 수도 있습니다. 우리 은하와 다른 많은 은하의 중심에는 태양 질량의 수백만 배에 달하는 초대형 블랙홀이 있으며, 붕괴하는 별과 가스와 우주 먼지 구름으로 형성됩니다. 이 초 거대 블랙홀로 솟구치는 물체는 Ligo와 Virgo에서 볼 수있는 작은 블랙홀 합병 파보다 낮은 주파수와 긴 파장에서 진동하는 GW를 생성합니다.

지상 탐지기는 이러한 것들을 정확히 찾아 낼 수 없습니다. 마치 랍스터 그릇에서 고래를 잡으려는 것과 같습니다. 이를 보려면 간섭계 검출기가 훨씬 더 긴 암이 필요합니다. 각 채널 암은 길고 똑 바르며 진동이 없어야하므로 까다 롭습니다. 그래서 연구자들은 대신 우주에서 저주파 교트를 만들 계획입니다. 이러한 계획 중 가장 진보 된 것은 현재 Esa 용으로 구축되는 장치입니다. 우주 안테나 레이저 간섭계 (리사).

LISA는 우주선에서 레이저를 보내 다른 우주선 내부에 자유롭게 떠 다니는 거울을 반사합니다. 세 개의 우주선을 사용하여 Ligo와 같은 이중 팔 L 자형 구조를 만들 수 있습니다. 그러나 팔이 직각 일 필요는 없습니다. 대신 Lisa는 삼각형의 모서리에 수백만 마일 떨어진 곳에 우주선 세 대를 배치하고 각 모서리는 세 개의 탐지기 중 하나가됩니다. 전체 그룹은 지구 궤도를 따라 지구를 약 30 미터 추적합니다.

우주에서 레이저 간섭 측정을 수행 할 수 있는지 테스트하기 위해 2015 년 Esa는 다음과 같은 파일럿 프로젝트를 시작했습니다. 리사 패스 파인더 -우주선은 소규모로 기술을 시연했습니다. 임무, 미션을 수행하는 프로젝트 과학자 인 Issa Paul McNamara는 2017 년에 완공되어 “우리를 황폐화시킵니다”라고 말합니다. “그것은 수정이나 아무것도없이 첫날에 우리의 요구 사항을 충족 시켰습니다.” 그는 우주선 내부에 떠있는 거울이 단일 원자 크기의 1 천분의 1 이하로만 진동하면서 엄청나게 고정되어있을 수 있음을 보여주었습니다. 안정적으로 유지하기 위해 우주선은 태양에서 오는 빛의 힘에 반응하기 위해 작은 추진기를 사용합니다.

즉, McNamara는 “우리 우주선은 코로나 바이러스의 크기보다 더 안정적이었습니다.”라고 말합니다. 또한 LISA는 GW로 인해 백만 마일이 넘는 원자 폭의 1/10에 해당하는 팔 길이의 변화를 감지해야하기 때문입니다.

그러나 Lisa의 석방은 적어도 10 년 동안 일어나지 않을 것입니다. McNamara는“우리는 세 개의 인공위성을 구축해야하며 각각 많은 부품을 가지고 있습니다. “시간이 걸립니다. 이것은 매우 복잡한 작업의 불행한 사실 중 하나입니다.” 다음 이정표는 2024 년에 예상되는 “공식적인 임무의 채택”입니다. “이 시점에서 우리는 임무의 세부 사항과 어떤 ESA 회원국과 미국이 무엇을 기부하고 비용이 얼마나 드는지 알게 될 것입니다. “존스 대학의 천체 물리학 자 Emmanuel Berti는 말합니다. 볼티모어의 홉킨스입니다.

일본과 중국도 GW 우주 탐지기 계획 초기 단계에있다. McNamara는 이것을 경쟁이 아니라 좋은 것으로보고 있습니다. 왜냐하면 둘 이상의 감지기를 사용하면 삼각 측량을 사용하여 파동의 근원을 결정할 수 있기 때문입니다.

“Lisa는 가시 광선을 초월하는 것과 거의 같은 방식으로 GW 천문학을 바꿀 것입니다. [to radio waves, X-rays etc] Bertie는 일반적인 천문학의 판도를 바꾸어 놓았습니다. “그는 다양한 등급의 GW 소스를 살펴볼 것입니다.”초대형 블랙홀 합병을 연구함으로써 그는 “우리는 구조 형성에 대해 많은 것을 이해하기를 바랍니다. 우주, 그리고 중력 자체에 대해.”Lisa는 이미 빅뱅 초기에 인플레이션으로 인한 “원시적 인”GW를 보았으므로 모든 것이 어떻게 시작되었는지에 대한 이론을 테스트 할 수 있습니다.

티특수 목적 탐지기가 전혀 필요하지 않은 저주파 GW를 보는 또 다른 방법이 있습니다. North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav)라는 협력은 전파 망원경의 글로벌 네트워크에서 만든 관측을 사용하여 GW가 펄서라고하는 “우주 시계”의 타이밍에 미치는 영향을 검색합니다.

펄서는 극에서 강렬한 전파 빔을 보내는 중성자 별 주위를 빠르게 공전하며 등대 광선처럼 하늘을 휩쓸고 있습니다. 펄서 신호는 매우 규칙적이고 예측 가능합니다. “GW가 펄서와 지구 사이를 통과하면 겹치는 시공간을 왜곡합니다.”라고 Tennessee에있는 Vanderbilt University의 NanoGrav 팀 구성원 Stephen Taylor는 맥박이 예상보다 빨리 또는 늦게 도착하도록합니다.

사실 펄서는 탐지기가됩니다. Boulder에있는 콜로라도 대학의 NanoGrav 팀원 Julie Comerford가 말했듯이, 이것은 “탐지기”팔이 지구와 펄서 사이의 거리 (아마 수천 광년)만큼 길다는 것을 의미합니다. 이 순전히 크기 때문에 NanoGrav에서 감지 할 수있는 신호는 LISA의 도달 범위를 넘어서도 매우 긴 파장과 매우 ​​낮은 주파수를 가지며 전체 은하가 충돌 할 때 합쳐지는 태양보다 수십억 배 큰 초대 질량 블랙홀에 의해 생성됩니다. . Taylor는 다른 탐지기가 그것을 감지 할 수 없다고 말합니다. 상상할 수 없을 정도로 비참하지만 이러한 통합은 실제로 매우 일반적이며 NanoGrav은 많은 사람들이 만든 과대 광고를 가질 것입니다. Commerford는 “우주 전체에 걸쳐 서로 궤도를 돌며 기가 와트를 생성하는 한 쌍의 초 거대 블랙홀이 있습니다.”라고 말합니다. “이 잔물결은 우리가 흔들고있는 GW의 바다를 만들어 낸다.”

1 월에 NanoGrav 팀은 콜로라도의 Comerford 박사후 연구원 인 Joseph Simon이 이끌었습니다. 이 GW 배경에 대한 최초 발견 가능성보고. 신호가 실제로 GW에 의해 발생하는지 확인하려면 더 많은 작업이 필요하지만 Commerford는 그 결과를 “지난 몇 년 동안 본 가장 흥미로운 천체 물리학 결과”라고 부릅니다.

실제로 NanoGrav이 광년 크기의 GW 검출기를 사용한다면 University College London의 물리학 자 Sougato Bose는 찬장 안에 들어갈만큼 작게 만들 수 있다고 생각합니다. 그의 아이디어는 일반적으로 원자와 같은 매우 작은 물체를 설명하는 양자 이론의 특이한 효과 중 하나에 기반합니다. 양자 객체는 중첩이라고하는 곳에 배치 될 수 있습니다. 즉, 측정 될 때까지 속성이 고유하게 결정되지 않습니다. 하나 이상의 결과가 가능합니다.

양자 과학자들은 일상적으로 원자를 양자 중첩에 넣을 수 있습니다.하지만 우리가 보든 안 보든 축구 공과 같은 큰 물체에서는 그런 이상한 행동이 사라집니다. 우리가 아는 한, 이렇게 큰 것에 대해 중첩이 불가능하다는 것은 아닙니다. 중첩은 물체 주변과의 상호 작용에 의해 쉽게 파괴되기 때문에 감지 할 수있을만큼 충분히 오래 유지하는 것은 불가능합니다.

Bose와 동료들은 만약 우리가 원자와 축구 공 사이에 중간 크기의 물체 (직경 약 100 나노 미터, 큰 바이러스 입자 크기 정도의 작은 결정)의 양자 중첩을 만들 수 있다면 중첩이 너무 위험해서 일시적인 GW에 민감합니다. 사실 양자 중첩의 두 가지 잠재적 인 상태는 두 개의 광파처럼 겹치도록 만들 수 있으며 GW로 인한 시공간 왜곡은 이러한 간섭의 변화로 나타날 것입니다.

Bose는 우주 공간보다 더 빈 공간에 유지되고 절대 0의 필라멘트 내에서 냉각되는 다이아몬드 나노 결정이 트릭을 수행하기에 충분히 오랫동안 중첩 상태로 유지 될 수 있다고 생각합니다. 쉽지는 않겠지 만 모든 기술적 과제는 이미 개별적으로 제시되어 있습니다. 모든 문제를 하나로 모으는 문제입니다. 그는 “충분한 자금이 있다면 향후 10 년 동안 그렇게하는 데 방해가되지 않는다고 생각합니다.”라고 말합니다.

이러한 발전과 다른 발전이 GW 천문학의 붐으로 이어진다면 우리는 무엇을 보게 될까요? McNamara는 “우주에서 새 창을 열면 일반적으로 예상하지 못한 것을 보게됩니다.”라고 말합니다. 이미 알고있는 더 많은 유형의 이벤트가 GW를 유발하는 것 외에도 쉽게 설명 할 수없는 신호를 얻을 수 있습니다. “그때부터 즐거움이 시작됩니다.”라고 McNamara는 말합니다.