2022 중력파, 수치상대론 여름학교 - 5. 중력파 천체물리학 (김정리)

 

 

 

중력파 천체물리학 (김정리)

 

 

1.     중력파천문학

 

- continuous source: 초거대질량 두 블랙홀의 공전 운동  중력파 신호도 지속적으로 방출되는 것처럼 관측될 수 있다. 

- 우주 배경 복사, 위성 중력파 검출기

- 21세기는 중력파로 우주를 관측할 수 있는 시대

: 중력파의 진동수: 10^(-16) ~ 10000 Hz  우리가 볼 수 있는 중력파의 파장: 10 ~ 2000 Hz

- 상대성이론 + 천체물리학  별의 폭발이나 천체간 충돌로 중력파가 발생한다.

: 질량을 가진 물체가 가속하는 상황이 발생해야 중력파가 발생함

 

- compact binary coalescences (CBCs). 밀집 쌍성 병합

: 공전 주기가 10시간 이내이면, 100만년 안에 충돌함

 지구와 태양의 merger time 계산 -> 허블 타임보다 크다.

 

- 중력파 주파수는 system mass의 n승에 비례함 

: 주파수랑 질량이 왔다 갔다 함

- 주파수가 달라지면, 기술이 달라진다. (모든 대역의 중력파 주파수를 관측할 수 있는 것이 아님)

: 레이저 간섭계, 우주 레이저 간섭계 vs pulsar timing array 펄사 천문학 하시는 분들이 연구

- 내가 관심 있는 분야와 관련 있는 주파수 영역의 중력파를 연구해야 한다. 

- 중력파로 알아낼 수 있는 물리량: 질량, 거리 위치 + 스핀, 

+ 블랙홀의 질량 범위는 매우 넓다. (별 질량 블랙홀 ~ 초거대질량 블랙홀, 양 끝은 잘 아는데 중간은 잘 모름)

 

 

 

 

2.     천체물리학

 

- 나선 근접 궤도 운동: inspiral motion

: M1, M2, spin1, spin2, 거리, 천구에서의 위치(망원경으로 관측할 수 있음), 병합 각도(관측 시점과의 각도)  관측 가능한 물리량

- 뉴턴 -> 아인슈타인: 3+1 시공간 도입, 시공간의 휨 + 출렁거림, 가속하는 질량의 운동  시공간 변형  시공간의 변화가 쌍성으로부터, 빛의 속력으로 중력파가 퍼져 나간다. 

 

- 중력파의 세기가 매우 작다. (매우 큰 값으로, 작은 값을 나눈다. (G^3/C^5)

- chirp: 중력파 신호 (GW150914) 8 cycle: 신호 대 잡음 비율이 굉장히 큰, 깔끔하게 검출된 신호

: 시간대 주파수 세기, chirp signal, 뒷배경의 노란 신호는 다 노이즈다. 

- 신호 발견된 이후, 15개 정도의 parameter를 정확히 찾을 수 없다. -> grid 방식으로 찾는다. Numerical search  m1, m2, distance data 뽑기(source 분석)

- 중력파 transient catalog: source는 천체물리학의 영역 : GWTC

 

- parameter search 범위를 가장 합리적으로, 수학적 파형의 방정식도, 컴퓨터 프로그래밍도 적합한 코드로 작성(협업을 많이 한다.)

- 중력파 천체물리학: data quality가 좋아야 한다. 사람의 기술로 구현 가능한 최대 감도를 구현하는 것이 중요하다. 이론도 가능한 한 정확하고, 사용하기 쉬운 것 (구현하기 어려우면 사용하기 힘듦), 반드시 수치상대론이 필요한 순간이 있다. (아인슈타인 방정식을 풀지 않으면, 절대 구할 수 없는 수식), computational 자원이 매우 많이 필요하다.

- matched filter, template (전자기학, 이미지 필터)사용, machine learning 기법들 활용, 모수 추정(베이지안 추론: joint 확률을 계산하는 것) 등등 다양한 기법을 활용한다. 

- binary evolution 과정에도 밝혀지지 않은 parameter들이 많다. (후속 연구가 필요한 부분들)

: 은하에서는 binary라면 애초에 쌍성으로 태어난 것, but 성단 규모에서는 다른 천체와 binary로 합쳐질 수 있다. -> 이심률이 변화하다가, 성단으로부터 튀어나갈 수도 있음 (다시 진공 상태로)

 

- 중력파원의 성질과 중력파 파원 모델

: 중력파 관측 입장에서, 지구와 태양의 이심률 0.4도 큰 값이다. -> 파형 상 차이가 있다. 

- 쌍성의 생성 장소를 찾을 수 있다: 은하 평면 or 성단에서 만들어졌을 확률

- 이심률이 존재하는 CBCs를 국내 그룹이 많이 하고 있다. 

- 중력파의 phase의 변화(증가)  chirp mass (정밀도가 둘이 비례한다.)

- phase 조금만 틀려도 mass를 오해하기 쉽다.  다행히 chirp mass는 중력파로 관측할 수 있는

물리량들 중에서 1~10% 오차범위 내로 직접적으로 얻을 수 있다. 

- 중성자별: 상태방정식에 따라, 서로 찌그러지는 정도가 달라짐 (strain으로 EOS 추정 가능)

: late inspiral  merger에 근접했을 때  지금의 관측 가능한 감도로는 존재하는 중력파 신호가 있어도, 노이즈가 너무 커서 볼 수 없었다. 

- 블랙홀 2개가 공전하는 상황: 간단한 수식  깔끔하게 chirp signal 구할 수 있다. 

- 왜 기기의 upgrade가 꾸준히 필요한가? (기기 감도가 수평이 아니다. 낮을수록 좋은 것)

: 이심률의 존재를 훨씬 더 파악 가능, cycle 개수를 늘려서 모수 추정 정밀도를 높일 수 있다, 더 멀리, 더 많이 볼 수 있다. (낮은 주파수, 저주파수 영역대가 매우 유용한데, 낮추는 것이 어렵다. 원인은 지구 대기, 지구의 여러 지질 활동 등 지구 때문! 여러 종류로 흔들리고 있어서)

- 100~300 HZ: 킵 손 물리학자 및 많은 중력파 연구자들이 매우 중요하게 여겼다. (BB 연구에 중요)

- 500+ high frequency: 못 보는 것(초신성 같은 것)을 볼 수 있다. NN도 다 보려면 필요하다. (2000HZ 이상이 필요)