천문학자들은 펄서 신호에서 우주의 “심장 박동”을 감지합니다

그들의 연구 결과는 최근에 발표되었습니다. 우주론 및 천체 입자 물리학 저널(JCAP).

밤하늘에는 놀랍도록 정확한 “우주 시계”가 있습니다. 펄서는 일정한 간격으로 전파 펄스를 방출하는 밀도가 높은 중성자별이며 완벽한 시간에 맞춰진 메트로놈처럼 똑딱거립니다. 지구상에서 전파 망원경은 펄서 자체에 대해 배울 뿐만 아니라 더 넓은 우주의 구조와 동작을 연구하기 위한 도구로 사용하기 위해 이러한 펄스를 추적합니다.

보이지 않는 무언가(거의 “우주 유령”)가 펄서와 지구 사이의 시공간을 왜곡하면 펄스의 타이밍이 약간 이동합니다. 이러한 변화는 무작위가 아닙니다. 하늘의 특정 부분에 있는 여러 펄서는 마치 느리고 보이지 않는 파도가 우주를 통과하는 것처럼 일치하는 변화를 보여줄 수 있습니다.

Asada는 “2023년에 여러 펄서 타이밍 어레이 협력(미국의 NANOGrav 및 유럽 팀)이 나노헤르츠 중력파에 대한 강력한 증거를 발표했습니다.”라고 말합니다. 나노헤르츠는 수 광년의 파장을 갖는 수개월에서 수년의 파동 주기를 의미합니다. 그러한 규모를 조사하기 위해 우리는 수백에서 수천 광년 떨어진 멀리 떨어져 있고 안정적인 펄서에 의존합니다. “신호는 통계적으로 신뢰할 수 있지만 입자 물리학자가 일반적으로 요구하는 5 시그마 임계값보다 낮습니다.”라고 그는 계속합니다. “그것은 ‘강력한 증거’이지만 아직 확인된 검출은 아니지만 우주론과 천체물리학계는 우리가 나노헤르츠 중력파의 최초 검출에 접근하고 있다고 믿고 있습니다.”

증거는 유망하지만 여전히 절대적인 확증에는 부족합니다. Asada는 미래의 데이터가 결과를 강화한다면 다음 단계는 출처를 정확히 찾아내는 것이라고 지적합니다. “나노헤르츠 중력파에는 두 가지 주요 후보 소스가 있습니다”라고 그는 설명합니다. “하나는 우주 초기 우주에서 시공간 변동을 일으켰고 나중에 우주 규모로 확장되었을 우주 인플레이션입니다. 다른 하나는 은하가 합쳐질 때 형성되는 초대질량 블랙홀 쌍성입니다. 두 시나리오 모두 나노헤르츠 중력파를 생성할 수 있습니다.”

펄서 데이터에서 볼 수 있는 상관 패턴(펄서 간의 타이밍 차이가 서로 관련되는 방식)이 한때 두 경우 모두 유사하게 나타나는 것으로 생각되었기 때문에 이러한 가능성을 구별하는 것은 어려웠습니다. “우리 논문에서 우리는 근처에 있는 한 쌍의 초대질량 블랙홀이 특히 강한 신호를 생성하는 상황을 조사했습니다.”라고 Asada는 말합니다. “두 개의 시스템이 매우 유사한 주파수를 갖는 경우, 그 파동은 음향학에서와 같이 간섭하고 비트 패턴을 생성할 수 있습니다. 이러한 특징을 통해 원칙적으로 인플레이션의 확률론적 배경과 구별할 수 있습니다.”

따라서 Asada와 Yamamoto는 친숙한 음향 효과인 비트를 활용합니다. 두 파동이 거의(정확하지는 않지만) 동일한 주파수를 갖는 경우, 두 파동의 중첩으로 인해 주기적인 강화 및 약화가 발생합니다. 중력파에 적용하면 비슷한 주파수를 가진 두 개의 초거대 블랙홀 쌍성이 펄서 타이밍 신호에 특징적인 변조를 각인하게 됩니다. 방법은 펄서 상관 패턴에서 이러한 변조(“비트”)를 찾는 것입니다. 만약 존재한다면, 이는 신호가 확산된 배경이 아니라 상대적으로 가까운 특정 바이너리에서 발생한다는 것을 강력하게 암시합니다.

이제 우리는 펄서 신호의 성격에 대한 더 강력한 확인을 기다리고 있습니다. “내 생각에 5-시그마에서 확인된 탐지가 이루어지면 아마도 몇 년 안에 다음 단계는 파동의 기원이 무엇인지 묻는 것입니다. 그 시점에서 우리의 방법은 파동이 인플레이션에서 오는지 아니면 근처의 초거대 블랙홀 쌍성에서 오는지 구별하는 데 유용할 수 있습니다.”라고 Asada는 결론지었습니다.