일반지구과학 및 실습

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일반지구과학 및 실습 II

1 2 주 차 : 프 론 티 어 천 문 학

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1. 중력파천문학

LIGO와 새로운

천문학의 탄생

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중 력 파 의 발 견

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중 력 파

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• 일반상대성이론

• 중력복사의 존재를 예측

• 시공간의 요동이 파동처럼 퍼져나간다

• 중력파

• 두천체의 거리의 변화같은 길이의

변화의 검출로 발견되어 짐

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• 중력파의 효과는 극히 미약

• 가장 격렬한 사건은 10

²¹

분의 1의 변화를 야기

• 이 양을 측정하기 위해서는 0.1% x

4km넘는 곳에 있는 양성자의 직경의

거리의 변화를 측정할 수 있어야 한다

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• 1980년대

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• 중력파를 검출하기위해 레이져 간섭계가 고안되었다

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L I G O 천 문 대

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• 1994년에 Louisiana와 Washington에 2개의 안테나 건설시작

• 간섭계는 1999년과 2002년사이에 설치되어 2002년에 작동시작

• LIGO Hanford : Southeastern Washington State

• LIGO Livingston :3002km떨어진 Baton Rouge근처

• 각 간섭계 팔의 길이는 4km

• 이 계획은 중력파를 검출할 수 있을 거라 여겨지는 초기 시설을 건설했고,

업그레이드한다면 거의 확실하게 중력파를 검출할것이라 여겨졌다

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• 2010

• 대폭 업그레이드를 위해 가동중단

• 2014

• Advanced LIGO의 최종 검수 완료

• 2015년 9월

• 2개의 간섭계가 Advanced LIGO의 최초 중력파 관측을 시작할 준비 완료

• 공식적인 관측스케쥴이 시작하기 바로 전인 2015년 9월 14일에 첫번째 중력파가 검출되었다

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G W 1 5 0 9 1 4

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• LIGO 쌍성 블랙홀 합병

• 2015년 9월 14일에 LIGO 2개의 안테나에서 검출 됨

• 위의 두개 그래프

• 2개의 합병하는 블랙홀에 대해 이론적으로 예측한 파동

• 세번째 그래프

• 2개의 검출기로부터 얻어진 자료

• 6.9ms의 편이가 관측

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• 0.2s동안 신호는 주파수와 진폭이 증가

• 8 사이클동안

• 35 Hz에서 150Hz 까지

• 이 신호에 대한 가장 그럴듯한 설명:

• 중력파 방출에 기인한 2개 천체의 궤도운동궤적일 것이다

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블 랙 홀 의 질 량

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• 직접 측정 불가능

• Chirp mass라는 두 질량의 조합을 얻어낼 수 있다

• 관측된 주파수와 주파수 증분을 이용하여 얻어진 블랙홀 질량: ~ 30 M

_⊙

• 중성자별이 될 수 없다

• 두 천체는 블랙홀임이 분명하다

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• 질량추정:

• 36₋₄⁺⁵ M_⊙ 와 29₋₄⁺⁴ M_⊙

• 최종 블랙홀 질량: 62₋₄⁺⁴ M_⊙

• 3.0_−0.5^+0.5 M_⊙ 가 중력파로 복사

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• 신호의 세기측정

• 광원의 위치와 거리에 대한 하한치 추정가능

• 남반구의 600 deg ² 영역에 존재

• 광원까지의 거리는 400 Mpc

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• 2017년 8월 27일 무언가 일어났다

• 페르미 감마선 분출원 모니터가 짦은 감마선 분출원을 검출

• 6분후에 중력파 후보자관측이 보고

• 쌍성 중성자별의 합병의 현상과 일치

• GW170817으로 명명된 이 이벤트는 중성자별 합병의 최초 발견

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• 페르미위성과 인테그랄 위성의 감마선

관측자료와 LIGO간섭계와 유럽간섭계Virgo 관측자료를 조합하여 광원이 30 deg ² 영역에 놓여 있음을 밝혀냄

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• 즉시 전세계의 망원경으로 이 하늘영역의 은하들을 관측시작

• 10시간도 안되어 칠레소재 망원경이 NGC 4993에서 광학 transient를 발견

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• 2주정도 후에 엑스선과 전파원이 같은 위치에서 관측되었다 27

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• 953개 기관의 3500명 넘는 학자들이 이 이벤트의 추적관측에 참여 28

• 지구와 우주에 퍼져있는 90개 망원경이 사용되고 있다

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• 이 관측들을 모두 합하여 합병이 일어나는 동안 무슨일이 일어났는지 밝혀냈다

• 합병이 일어나면서 초기에 감마선 분출이 일어났다

• 광학, 자외선 및 적외선에서 긴 후광(afterglow)이 발생

• 이 후광은 폭발에서 생성된 무거운 원소의 방사성 붕괴의 결과이다

• 아주 늦게 지연된 엑스선과 전파방출이 관측

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• 중성자별 합병의 잔해는 무엇인가?

• 중력은 아인쉬타인이 예견한것과 같이 행동하는가?

• 우주에서 가장 무거운 원소들은 어디에서 오는가?

• 우주는 얼마나 빨리 팽창하고 있는가?

• . . . 더 이상의 것들이 밝혀지고 있다!

G W 1 7 0 8 1 7 에 서 배 운 점

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• 합병으로 형성된 천체의 질량

• 알려진 모든 중성자별들의 질량과 알려진 블랙홀의 질량 사이에ㅣ 놓임

• 합병으로 블랙홀이 생성된다고 추측되지만, 아마 질량이 아주 큰 중성자별이 남게 되는 것 같다

• 이 hyper massive neutron

star가 나중에 블랙홀로 폭축하게 된다

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• 중력파와 감마선사의 도착시간 차이는 중력의 속력을 추정하는데 사용된다 33

• 중력파는 감마선보다 1.7초 늦게 도착했다

• 1억 2000만광년의 거리

• 같은 속력으로 움직이고 있다

• 만일 감마선이 중력파보다 약간 늦게 방출되었다면 (하이퍼 질량 중성자별이 나중에 폭축) 속력은 같을 수 있다

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• 광학 스펙트럼은 폭발할때

중원소가 형성되었다는 증거를 보여준다

• 금과 플래티늄이

지구질량의 10배가량이 된다

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• 새로운 방법으로 은하들의 거리를 측정할수 있는 가능성을 확보하게 되었다

• 중력파 이벤트가 표준 측광으로 사용됨

• 중력파 이벤트 하나만으로는 서로 다른 허블상수의 값중 어느 것이 옳은지 판단할 수 없다

• 더 많은 이벤트들이 발견된다면 정확한 값의 허블 상수를 결정해낼 수 있다

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• LIGO의 3번째 관측시즌이 2019년 2월 시작 37

• 1주일에 여러 개의 블랙홀 합병체들을 관측할 수 있을 것

• 블랙홀-중성자별을 포함한 관심있는 천제들이 관측될 것

• 처음으로 모든 LIGO alerts들이 공개될 예정이다