세 번째로 감지된 중력파로 또 다른 블랙홀 충돌 밝혀져

세 번째로 과학자들은 두 블랙홀의 격렬한 충돌로 인한 시공간 진동을 감지했습니다. LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)는 두 개의 블랙홀이 합쳐져 약 3억 광년 떨어진 은하계에 하나의 거대한 블랙홀을 생성한다는 것을 감지해냈습니다.

“우리는 4년 2017월 20일에 또 다른 거대한 블랙홀-블랙홀 쌍성 합체를 관찰했습니다. MIT(매사추세츠 공과대학)의 수석 연구 과학자이자 LIGO 과학 협력 대변인인 데이브 슈메이커(Dave Shoemaker)는 기자들에게 이렇게 말했습니다. 수요일(30월 31일) 특별브리핑입니다.

이 거대한 블랙홀 충돌은 우리 태양 질량의 약 49배에 달하는 훨씬 더 거대한 회전 블랙홀을 만들어냈습니다. 순간적으로 우리 태양의 두 배에 해당하는 질량이 중력파로 직접 변환되었습니다. 이는 어느 순간이든 우주의 모든 은하계에서 빛으로 방출되는 모든 에너지보다 더 많은 에너지를 잠시 생성한다고 LIGO 과학자들은 말합니다.

탐지에 대한 자세한 내용은 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다.
세 번째는 매력이다
수년간의 계획, 개발 및 건설 끝에 LIGO는 2002년에 첫 관측을 했습니다. 그러나 14년 2015월 150914일이 되어서야 중력파에 대한 최초의 역사적인 감지("GW151226"라는 사건)가 이루어졌습니다. 이는 LIGO가 민감도를 높이기 위해 업그레이드(Advanced LIGO로 알려짐)를 거친 후에 발생했습니다. 그 후 몇 달 뒤인 XNUMX월에 두 번째 탐지("GWXNUMX")가 이어지면서 첫 번째 발견이 우연이 아님이 확인되었습니다.

이제 전 세계 170104명이 넘는 과학자로 구성된 LIGO 과학 협력(LIGO Scientific Collaboration)이 세 번째 중력파 탐지(“GWXNUMX”)를 확인했습니다. 이는 우리가 완전히 새로운 종류의 천문학의 정점에 와 있다는 것을 의미합니다.

지금까지 발견된 중력파는 모두 다양한 크기의 항성질량 블랙홀의 충돌로 생성됐다. 이것은 수십억 년 전에 연료가 고갈되어 초신성으로 폭발한 후 매우 거대한 별이 죽음으로써 형성되었을 가능성이 있는 태양 질량의 몇 배에서 수십 배에 달하는 블랙홀입니다. 진보된 LIGO는 중력파 탐색의 기로에 도달했으며, 마침내 아주 먼 곳에 있는 블랙홀이 충돌할 때를 감지할 수 있는 감도에 도달하여 현재 우리가 우주를 채우고 있는 희미한 중력파를 생성하는 것으로 알고 있습니다.

2015년 사건은 각각 62억 광년과 21억 광년 떨어진 은하에 태양질량 1.3배와 1.4배의 블랙홀을 생성하는 합병으로 인해 발생했습니다. (참고: 중력파가 빛의 속도로 이동하기 때문에 이러한 합병은 1.3억년과 1.4억년 전에 일어났습니다.) 이 최근 발견은 태양 질량 49배의 블랙홀(첫 번째 블랙홀과 같은 또 다른 "무거운" 블랙홀)을 생성하는 합병에서 비롯되었습니다. , 그러나 합병은 이전 사건보다 두 배 이상 떨어진 곳에서 일어났습니다.

펜실베니아 주립대와 카디프 대학의 방갈로르 사티야프라카쉬(Bangalore Sathyaprakash)는 "이것이 의미하는 바는 이제 '무거운' 블랙홀 범주에 두 번째 후보가 있다는 것입니다."라고 말하며 LIGO 과학 협력 회원입니다.

LIGO는 이전에 X선 연구만으로 볼 수 있었던 것(보라색)보다 더 큰 질량을 가진 새로운 블랙홀 집단을 발견했습니다. LIGO(GW150914, GW151226, GW170104)에 의해 확인된 세 가지 탐지와 신뢰도가 낮은 탐지 한 개(LVT151012)는 일단 병합되면 태양 질량의 20배보다 큰 항성 질량 쌍성 블랙홀의 집단을 가리킵니다. 이전에 알려졌습니다.
LIGO는 이전에 X선 연구만으로 볼 수 있었던 것(보라색)보다 더 큰 질량을 가진 새로운 블랙홀 집단을 발견했습니다. LIGO(GW150914, GW151226, GW170104)에 의해 확인된 세 가지 탐지와 신뢰도가 낮은 탐지 한 개(LVT151012)는 일단 병합되면 태양 질량의 20배보다 큰 항성 질량 쌍성 블랙홀의 집단을 가리킵니다. 이전에 알려졌습니다.
LIGO/CALTECH/SONOMA STATE(AURORE SIMONNET)
LIGO가 첫 번째 발견(태양질량 62배 블랙홀)과 가장 최근 발견(태양질량 49배 블랙홀) 이전에는 이러한 대형 블랙홀이 존재했다는 관측 증거가 없었기 때문에 이는 중요합니다. 이것은 놀라운 초기 발견입니다. 과학자들은 단 세 번의 탐지만으로 새로운 유형의 대형 블랙홀을 밝혀냈습니다.

LIGO가 더 많은 계획된 업그레이드를 진행하고 다른 관측소가 중력파 추적에 참여함에 따라 상황은 더욱 흥미로워질 것입니다.

Sathyaprakash는 “LIGO가 설계한 민감도에 도달하면 하루에 한 번의 바이너리 병합 이벤트가 발생할 것으로 예상해야 합니다.”라고 말합니다.

천체물리학 실험실
중력파가 감지되면 충돌 당시 블랙홀의 충돌 상태를 연구할 수 있습니다.

"우리의 분석에서는 개별 블랙홀의 회전을 잘 측정할 수 없지만 블랙홀이 일반적으로 궤도 운동과 같은 방향으로 회전하고 있는지는 알 수 있습니다."라고 LIGO Scientific Collaboration의 대변인인 천체물리학자 Laura Cadonati는 말합니다. 조지아텍.

그러나 개별 블랙홀의 서로 상대적인 회전에 대한 아이디어는 중력파 신호의 "지문"을 연구함으로써 알아낼 수 있다고 Cadonati는 말합니다.

병합 블랙홀의 이론적 모델은 두 블랙홀의 스핀이 정렬되지 않은 경우 병합 이벤트가 스핀이 정렬된 경우보다 빠르게 발생함을 나타냅니다. 또한 두 개의 회전 정렬된 블랙홀이 가까워지고 병합되기 시작하면 신호의 추가 흔들림이 예측됩니다.

회전 정렬된 블랙홀은 형제별일 가능성이 높습니다. 둘 다 고대 별 공장에서 가까운 거리에서 쌍성 쌍으로 진화한 거대한 별에서 태어나 결국 초신성으로 죽어갔을 것입니다.

그러나 가장 최근의 사건에서는 병합이 상대적으로 빠르게 이루어졌으며 추가 진동은 관찰되지 않았습니다. 이는 두 블랙홀이 회전 정렬되지 않았거나 함께 형성되지 않았을 가능성이 있음을 의미합니다. 이는 그들의 기원에 대한 단서를 제공합니다. 형제 쌍성에서 형성되기보다는 낯선 존재였으며 독립적으로 진화하여 조밀한 성단의 중심에서 서로를 향해 표류하다가 결국 합쳐졌습니다.

"이것은 천체물리학에 영향을 미칩니다. 확실하게 말할 수는 없지만, 이 발견은 두 개의 블랙홀이 밀도가 높은 성단에서 별도로 형성되어 함께 형성되기보다는 성단의 핵심으로 가라앉은 다음 쌍을 이룬다는 이론을 선호할 가능성이 높습니다. 이미 쌍을 이룬 두 별의 붕괴로 인한 것입니다.”라고 Cadonati는 덧붙입니다.

블랙홀은 중력 괴물이기 때문에 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 지배를 받습니다. 따라서 블랙홀이 충돌할 때 생성되는 중력파를 연구함으로써 과학자들은 "분산"으로 알려진 효과에 대한 파동을 연구할 수도 있습니다. 예를 들어, 빛이 프리즘을 통과할 때 서로 다른 파장이 유리를 통해 서로 다른 속도로 이동합니다. 이로 인해 빛의 광선이 분산됩니다. 이것이 무지개를 만드는 메커니즘입니다.

그러나 일반 상대성 이론은 분산이 중력파로 일어나는 것을 금지합니다. 이 최신 신호는 기록적인 3억 광년의 시공간을 거쳐 지구에 도달했지만 LIGO는 어떤 분산 효과도 감지하지 못했습니다.

Cadonati는 성명서에서 "아인슈타인이 옳았던 것 같습니다. 이 새로운 사건의 경우에도 우리가 처음 발견한 것보다 약 2배 더 멀리 떨어져 있습니다"라고 말했습니다. "우리는 일반상대성이론의 예측에서 어떤 이탈도 볼 수 없으며, 이러한 거리가 더 멀다는 것은 우리가 더 자신있게 그 진술을 하는 데 도움이 됩니다."

'다크 유니버스'를 향한 새로운 창
아인슈타인의 유명한 일반 상대성 이론은 중력파의 존재를 예측하지만 인류가 중력파를 감지할 수 있을 만큼 민감한 탐지기를 구축하는 기술적 노하우를 개발하는 데는 100년이 넘게 걸렸습니다. 에너지 사건(예: 블랙홀 합병 또는 중성자별 충돌)이 발생하면 시공간이 격렬하게 교란되고 중력파의 형태로 사건에서 에너지가 빠져나갑니다. 연못에 조약돌을 떨어뜨린 후 수면을 가로질러 이동하는 잔물결과 같습니다. .

블랙홀 병합 GIF
두 개의 병합 블랙홀 근처의 뒤틀린 시공간에 대한 수학적 시뮬레이션은 GW170104라는 사건에 대한 LIGO의 관찰과 일치합니다. 색상이 있는 띠는 중력파의 최고점과 최저점이며, 파동 진폭이 증가할수록 색상이 더 밝아집니다.
LIGO/CALTECH/MIT/SXS 협력
그러나 이러한 파동을 감지하기 위해 천문학자들은 이 파동이 지구를 통과할 때 시공간 구조에서 믿을 수 없을 만큼 미세한 흔들림을 감지할 수 있는 관측소를 구축해야 합니다. 중력파는 전자기 스펙트럼의 일부가 아닙니다. 빛에만 민감한 일반 망원경으로는 감지할 수 없습니다.

이 "어두운 우주"에 대한 창을 열기 위해 물리학자들은 2.5마일(4km) 길이의 "L"자형 터널을 따라 믿을 수 없을 만큼 정밀한 레이저를 반사하는 LIGO와 같은 중력파 검출기를 제작합니다. 이 터널은 바람, 교통, 지각 활동 및 기타 지상 간섭으로 인한 외부 진동으로부터 보호됩니다. 레이저 간섭계라고 알려진 방법을 통해 터널 내부의 반사 거울 사이의 거리를 매우 정밀하게 측정할 수 있습니다. 중력파가 우리 행성을 통과하면 간섭계에 의해 거리의 작은 변화가 기록될 수 있습니다. 이는 중력파가 전파될 때 발생하는 시공간이 미세하게 압축되고 늘어나는 것을 나타냅니다.

이는 마치 물리학자들이 보이지 않는 중력파 침입자가 지역 시공간을 뒤흔들 때 우리에게 알려주는 가상 인계철선을 만든 것과 같습니다.

그러나 하나의 감지기만으로는 중력파 현상을 확인하는 데 충분하지 않습니다. LIGO의 경우 감지기 하나는 워싱턴주 핸포드에 있고, 다른 감지기는 루이지애나주 리빙스턴에 있으며 1,865km 떨어져 있습니다. 두 위치에서 동일한 사건이 감지된 경우에만 과학자들은 중력파 신호를 확인할 수 있습니다. 두 개의 탐지기는 파동이 어디에서 이동했는지에 대한 대략적인 방향을 결정할 수도 있지만, 네트워크에 더 많은 탐지기가 추가되면 천문학자들은 궁극적으로 파동이 어디서 시작되는지 더 정확하게 찾아낼 수 있기를 바라고 있습니다.

더 많은 중력파 관측소가 계획되어 있으며 이탈리아 피사 근처에 위치한 유럽 처녀자리 탐지기는 현재 시운전을 진행 중입니다. 일단 온라인 상태가 되면 Virgo는 LIGO와 함께 사용되어 중력파의 관측력을 높이고 신호를 유발하는 우주 사건의 위치를 ​​더 잘 파악할 수 있습니다.

이제 중력파의 존재가 확인되고 천문학자들이 더 많은 블랙홀 합병을 감지하고 있으므로 우리는 천문학의 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 드디어 암흑의 우주가 드러나는 곳이 바로 중력파 천문학이다.