몇 년 전 일본에서 열린 컨퍼런스에서 데이비드 던스키 별이나 블랙홀과 같은 거대한 물체가 가속할 때 생성되는 시공간 구조의 잔물결인 중력파에 대한 강연에 참석했습니다.

Dunsky는 당시 입자 물리학 대학원생이었으며 그의 관심은 다른 곳에 있는 것 같습니다. 입자물리학자들은 우리에게 익숙한 물리적 규칙을 뒷받침하는 보다 근본적인 진실을 추구합니다. 그들은 자신들의 아이디어를 테스트하기 위해 오랫동안 고에너지 입자 충돌기를 사용해 왔습니다. 헤아릴 수 없는 에너지로 입자를 충돌시킴으로써 이 과학자들은 빌딩 블록의 빌딩 블록, 즉 짧은 거리 규모에서 발생하는 고에너지 현상을 발견할 수 있습니다. 이러한 현상은 또한 우주가 작고 밀도가 높으며 믿을 수 없을 정도로 뜨거웠던 우주의 초기 순간에 대해서도 알려줍니다.

그러나 Dunsky는 이 강연에서 제안된 레이저 간섭계 우주 안테나(LISA)와 같은 미래 중력파 관측소가 고에너지 물리학을 조사하는 데 사용될 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. LISA는 우주가 탄생하는 동안 발생했을 수 있는 막대한 집중 에너지 가닥인 우주 끈이라고 불리는 가상의 물체를 탐지할 수 있습니다. 현재 뉴욕 대학의 우주학자이자 입자물리학자인 Dunsky는 "나는 초기 우주의 중력파 신호를 이해하려는 노력에 푹 빠졌습니다. 그리고 그것이 잠재적으로 매우 고에너지 물리학에 대해 어떻게 알려줄 수 있는지에 대해 이야기합니다."라고 말했습니다. 현재 충돌기로 감지할 수 있는 것 이상입니다.”

입자물리학의 발전을 위해 중력파를 향한 그의 전환은 미래의 LISA 실험에 대한 관심이 커지고 아마도 더 넓은 변화를 가져올 수 있음을 보여줍니다. 입자 충돌기에서 마지막으로 중요한 발견이 이루어진 지 2012년이 지났습니다. XNUMX년 LHC(Large Hadron Collider)에서 힉스 보손(Higgs boson)의 발견으로 알려진 기본 입자와 힘의 지배적인 이론인 입자 물리학의 표준 모델이 완성되었습니다. 그리고 이론가들은 이후 표준 모델을 확장하는 가능한 이론의 동물원을 생각해 냈지만 이러한 아이디어를 테스트할 수 있는 충돌기를 구축할 수 있는지는 확실하지 않습니다.

“사람들은 향후 50년 동안 에너지 측면에서 LHC보다 10배 더 강력한 충돌기를 건설하는 것에 대해 이야기하고 있습니다.”라고 말했습니다. 라만 선드럼, 메릴랜드 대학의 이론 입자 물리학자. 그러나 표준 모델의 세 가지 힘을 더 짧은 거리에서 작동하는 단일 기본 힘으로 추적하는 대통합 이론을 테스트하려면 "LHC 에너지의 10억 배에 달하는 충돌기를 사용하는 것처럼 보일 것"이라고 그는 말했습니다.

충돌기에서는 생성할 수 없는 것을 자연에서는 관찰할 수 있을 수도 있습니다. 특히 우주가 너무 활력이 넘쳐서 표준 모델을 넘어서는 물리학이 지배했을 때 창조의 첫 순간에 전개된 과정의 중력 메아리에 답이 있을 수 있습니다.

이것이 바로 자신의 이론을 테스트하기 위해 LISA를 찾고 있는 Dunsky 및 Sundrum과 같은 입자 물리학자들의 희망입니다. 임무 개념은 1980년대 초에 처음 개발되었으며 이후 2011년 동안 유럽 우주국(ESA)에 공식적으로 제안되었습니다. 이 프로젝트는 한동안 NASA와 공동으로 추진됐으나 2015년 예산 문제로 미국이 포기해 유럽이 단독으로 추진할 수밖에 없었다. 그러나 올해 2016월 LISA는 마침내 ESA로부터 승인을 얻었으며 현재 건설을 시작하기 위해 업계 파트너를 찾고 있습니다. 이번 발표는 미래 천문대의 핵심 기술을 테스트한 파일럿 임무인 LISA Pathfinder가 XNUMX년과 XNUMX년에 큰 성공을 거둔 후에 나온 것입니다.

LISA는 2030년대에 비행할 예정이다. XNUMX년 동안 XNUMX개의 위성 배열은 수백만 마일에 달하는 정삼각형 형태로 공간을 가로질러 굴러다니면서 각 우주선 내에서 완벽한 자유 낙하를 유지하는 황금 큐브에서 레이저를 반사시켜 시공간의 파동을 느낄 것입니다.

“처음으로 우리는 실제로 우주의 아주 초기 시대로부터 직접적으로 무엇인가를 얻을 수 있을 것입니다”라고 말했습니다. 이사벨 가르시아 가르시아, 워싱턴 대학의 입자 물리학자이자 우주학자입니다. LISA가 정말로 원시 중력파를 포착할 수 있다면, 그것은 우주의 첫 순간을 우리가 처음으로 엿볼 수 있는 기회가 될 것이라고 덧붙였습니다. "입자물리학의 관점에서 볼 때 이는 분명히 믿을 수 없을 만큼 흥미로운 일입니다."

럭키 리사

실제로 LISA가 향후 10년쯤에 원시 중력파를 탐지할 수 있다면 이는 엄청난 우주적 행운이 깃든 일이 될 것입니다.

어떤 망원경도 창조의 첫 순간을 보여줄 수는 없습니다. 망원경은 멀리서 이동한 빛을 감지하여 우주의 과거를 들여다봅니다. 그러나 빅뱅 이후 처음 380,000만년은 일종의 우주의 장막 뒤에 숨겨져 있습니다. 그 당시 우주는 광자를 산란시키는 이온화된 플라즈마로 가득 차 있어 빛이 불투명했습니다.

빛과 달리 중력파는 초기 우주를 통해 자유롭게 파문을 일으킬 수 있습니다. LIGO나 Virgo와 같은 기존 지상 관측소는 아마도 이러한 원시파에 민감하지 않을 것입니다. 하지만 리사는 우주의 막이 오르기 전 무대에서 무슨 일이 일어났는지 들을 수 있을지도 모른다.

Sundrum은 “안개 속에서 뭔가를 듣는 것과 같습니다.”라고 말했습니다.

지상 기반 중력파 관측소와 마찬가지로 LISA는 레이저를 사용하여 "팔"(이 경우 삼각형 별자리에 있는 세 우주선 사이의 빈 공간에 있는 선)을 따라 거리를 정확하게 측정함으로써 시공간 파동을 감지합니다. 중력파가 지나갈 때 시공간이 늘어나고 수축됩니다. 이로 인해 LISA의 팔 길이에 약간의 차이가 발생하며, 장비는 레이저 빔의 최고점과 최저점의 정렬 불량을 추적하여 이를 감지할 수 있습니다. 지구의 시끄러운 환경에서 제거된 LISA는 블랙홀과 중성자별 충돌을 탐지하는 데 사용된 LIGO와 같은 기존 간섭계보다 훨씬 더 민감합니다. 또한 훨씬 더 커질 것입니다. 각 팔은 지구 반경보다 거의 400배 더 길다.

그럼에도 불구하고 LISA가 느끼는 거리의 변화는 매우 작습니다. 즉 원자보다 약 50배 작습니다. "생각해 보면 정말 말도 안되는 개념입니다."라고 말했습니다. 노라 뤼츠겐도르프, ESA의 천체물리학자이자 LISA 프로젝트 과학자입니다.

LISA의 크기와 감도 덕분에 지상 간섭계로 관찰할 수 있는 것보다 훨씬 긴 중력파를 관찰할 수 있습니다. LIGO는 파장이 약 30~30,000km인 중력파를 감지할 수 있지만 LISA는 수십만km에서 수십억km에 이르는 길이의 파동을 감지할 수 있습니다. 이를 통해 LISA는 (별 크기의 블랙홀이 아닌) 초대질량 블랙홀의 합병과 같이 지상 관측소에서는 "들을 수" 없는 천체 물리학적 사건을 들을 수 있습니다. 그리고 LISA의 파장 대역은 빅뱅 이후 첫 순간에 생성된 중력파에서 물리학자들이 기대하는 크기와 정확히 일치합니다.

초기 우주의 고에너지 물리학은 중력파동을 만들어냈고, 우주가 팽창하고 공간이 늘어나면서 이 파동은 엄청난 크기로 부풀어올랐습니다. LISA는 처음 10일에 발생한 파도를 잡을 완벽하게 준비되어 있습니다.^{- 17} 10로^{- 10} 빅뱅 후 몇 초 – 사실상 시간이 시작되는 시점입니다. 해당 범위의 짧은 끝인 10^{- 17} 초는 우주의 나이에 맞는 초의 몇 배에 해당하는 매우 짧은 기간입니다.

“이런 우연이 있군요.”라고 말했습니다. 키아라 카프리니, 제네바 대학교와 CERN의 이론 우주학자입니다. "LISA의 탐지 주파수 대역과 입자 물리학 지식의 최전선을 표시하는 우주 진화의 특정 시대" 사이에는 일치하는 부분이 있습니다.

표준 모델을 넘어서

그 최전선까지 표준 모델은 17개의 기본 입자 무리가 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이라는 세 가지 힘과 어떻게 상호 작용하는지를 훌륭하게 설명합니다. 그러나 엄청난 성공에도 불구하고 아무도 이러한 입자와 힘이 존재의 전부이자 목적이라고 생각하지 않습니다.

이론에는 결함이 있습니다. 예를 들어, 힉스 보존의 질량 — 다른 입자의 질량을 결정하는 표준 모델의 구성 요소 —는 답답하게도 “부자연스럽다.” 그것은 우주의 훨씬 더 큰 에너지 규모에 비해 임의적이고 수수께끼처럼 작아 보입니다. 더욱이 표준모형은 암흑물질이나 암흑물질에 대한 설명을 제공하지 않는다. 신비한 암흑에너지 이는 우주의 가속적 팽창을 촉진한다. 또 다른 문제는 반물질과 물질이 표준 모델의 세 가지 힘 하에서 정확히 동일하게 행동한다는 것입니다. 이는 물질이 우주를 지배하기 때문에 분명히 전체 이야기는 아닙니다. 그리고 중력이 있습니다. 표준 모델은 자신만의 이론인 일반 상대성 이론을 사용하여 설명해야 하는 네 번째 기본 힘을 완전히 무시합니다.

"그래서 나와 같은 많은 이론가들은 표준 모델을 약간 짜서 확장하려고 노력해 왔습니다."라고 벨기에 루뱅 가톨릭 대학교의 이론 우주론자 피에르 오클레르(Pierre Auclair)는 말했습니다. 그러나 이를 테스트할 실험적 증거가 없으면 이러한 확장된 이론은 여전히 ​​이론적으로 남아 있습니다.

Auclair는 이론가입니다. “그래도 최대한 실험과 연결시키려고 노력 중이에요.” 그것이 그가 LISA에 끌린 이유 중 하나입니다. “이러한 확장은 일반적으로 초기 우주에서 다양한 극단적 사건으로 이어집니다.”라고 그는 말했습니다.

마찬가지로 가르시아 가르시아는 LISA가 고에너지 물리학에 대한 관측 증거를 약속하면서 그녀의 경력을 재고하게 되었다고 말했습니다. 중력파는 “다른 어떤 실험도 할 수 없는 방식으로 초기 우주를 조사할 수 있습니다”라고 그녀는 말했습니다. 몇 년 전, 그녀는 중력파와 표준 모델을 넘어서는 물리학이 어떻게 LISA에서 지문을 감지할 수 있는지 연구하기 시작했습니다.

지난해 가르시아 가르시아와 동료들은 출판된 작품 거품 벽의 중력파 특성 - 우주가 냉각됨에 따라 서로 다른 상태에 갇히게 되는 공간 주머니 사이의 에너지 장벽입니다. 이러한 냉각은 우주가 팽창하면서 일어났습니다. 물이 끓어 증기로 변하는 것처럼 우주도 상전이를 겪었습니다. 표준 모델에서는 단일 "전기약력"이 별도의 전자기력과 약력으로 분할되는 동안의 위상 전이가 상대적으로 원활했습니다. 그러나 이 이론의 많은 확장은 우주 수프를 거품으로 만들고 혼란스럽게 만드는 폭력적인 사건을 예측한다고 거품 벽과 같은 위상학적 결함을 연구하는 Dunsky는 말했습니다.

우리 우주에 스며드는 양자장은 최소 에너지 상태, 즉 바닥 상태를 가지고 있습니다. 그리고 우주가 냉각됨에 따라 새로운 저에너지 바닥 상태가 발생했지만 주어진 필드가 항상 새로운 바닥 상태에 즉시 착륙하는 것은 아닙니다. 일부는 국지적 에너지 최소치(안정적으로만 보이는 거짓 바닥 상태)에 갇혔습니다. 하지만 때로는 우주의 작은 조각 하나가 실제 상태로 양자 터널을 형성하여 외부 우주보다 낮은 에너지로 빠르게 팽창하는 진정한 진공 거품을 핵으로 생성합니다.

“이 거품은 매우 활력이 넘칩니다. 내부와 외부 사이의 압력 차이로 인해 빛의 속도에 매우 가깝게 움직이고 있습니다.”라고 Dunsky는 말했습니다. "그래서 그들이 충돌하면 블랙홀이 충돌 직전에 강한 중력파를 방출하는 방식과 다소 유사한 매우 상대론적인 두 물체 사이에 격렬한 충돌이 발생합니다."

현과 벽

더 추측하자면, 초기 우주의 상전이는 우주 끈과 구역 벽(각각 밀도가 높은 에너지의 거대한 가닥과 시트)이라는 구조를 생성했을 수도 있습니다.

이러한 구조는 양자장의 바닥 상태가 둘 이상의 새로운 바닥 상태가 되는 방식으로 변경될 때 발생하며 각각은 동일하게 유효합니다. 이로 인해 우연히 서로 다르지만 똑같이 유리한 바닥 상태에 빠진 우주 주머니 사이의 경계를 따라 고에너지 결함이 발생할 수 있습니다.

이 과정은 특정 암석이 냉각되면서 자연적인 자성을 형성하는 방식과 약간 비슷하다고 Dunsky는 말했습니다. 관찰 가능한 지문을 연구했습니다. 프로세스의. 고온에서 원자는 무작위 방향으로 배열됩니다. 그러나 차가운 온도에서는 자기적으로 정렬되는 것이 에너지적으로 유리해집니다. 즉 바닥 상태가 변합니다. 원자의 방향을 정하는 외부 자기장이 없으면 원자는 어떤 방향으로든 자유롭게 정렬할 수 있습니다. 모든 "선택"은 동일하게 유효하며, 광물의 다양한 영역은 우연히 다른 선택을 하게 됩니다. 모든 원자에 의해 생성된 자기장은 영역 사이의 경계에서 극적으로 휘어집니다.

마찬가지로, 우주의 여러 지역에 있는 양자장은 이러한 영역의 "경계에서 급격하게 변화해야 하며" 이러한 경계에서 "영역 벽 또는 우주 끈의 존재를 나타내는" 큰 에너지 밀도가 발생한다고 그는 말했습니다.

이러한 우주 끈과 도메인 벽이 존재한다면 공간이 확장됨에 따라 사실상 우주 전체에 걸쳐 뻗어 나갔을 것입니다. 이러한 물체는 꼬임이 물체를 따라 전파되고 루프가 진동하여 교두를 형성함에 따라 중력파를 생성합니다. 그러나 이 파동의 에너지 규모는 대부분 우주의 첫 순간에 형성된 물체로 설정되었습니다. 그리고 LISA는 그것들이 존재한다면 이를 탐지할 수 있습니다.

창조의 메아리

아주 초기 우주에서 우리에게 도달하는 중력파는 블랙홀 충돌의 신호처럼 깔끔하게 포장된 삐걱거리는 소리로 도착하지 않습니다. 너무 이른 시간에 발생했기 때문에 그러한 신호는 이후 공간 전체에 퍼져 나갔습니다. 그들은 모든 방향, 우주의 모든 지점에서 동시에 배경 중력 웅웅거림으로 울려퍼질 것입니다.

Garcia Garcia는 "감지기를 켜면 항상 거기에 있습니다"라고 말했습니다.

이러한 배경의 패턴은 아마도 "보통 사람에게는 소음처럼 보일 것"이라고 Sundrum은 말했습니다. "하지만 비밀리에 숨겨진 코드가 있어요."

한 가지 중요한 단서는 배경 신호의 스펙트럼, 즉 다양한 주파수에서의 강도입니다. 중력파 신호를 소리로 생각하면 그 스펙트럼은 음높이 대 음량의 플롯이 됩니다. 진정한 무작위 백색소음은 평평한 스펙트럼을 가질 것이라고 Auclair는 말했습니다. 그러나 위상 전이 중에 방출되거나 우주의 끈이나 도메인 벽에서 발생하는 중력파는 특정 주파수에서 가장 큰 소리를 냅니다. Auclair는 꼬임과 고리가 진화할 때 특정 파장의 중력파를 방출하는 우주 끈의 스펙트럼 특성을 계산하는 작업을 진행해 왔습니다. 그리고 카프리니 연구 격렬한 상전이가 중력파 배경에 어떻게 흔적을 남길 것인가.

Sundrum과 그의 동료들이 시도한 또 다른 접근 방식 2018년에 설명된 과 최근에 자세히 설명된, 하늘을 가로지르는 배경의 전반적인 강도를 매핑하려고 시도하는 것입니다. 이를 통해 이방성, 즉 평균보다 조금 더 크거나 조용한 패치를 찾는 것이 가능해집니다.

Caprini는 “문제는 이런 종류의 신호가 실제로 악기 소음과 동일한 특성을 갖는다는 것입니다. 따라서 전체 질문은 우리가 무언가를 감지한 후에 그것을 어떻게 구별할 수 있느냐는 것입니다.”

LISA는 망원경이라기보다는 마이크에 가깝습니다. 특정 방향만 바라보는 것이 아니라 하늘 전체의 소리를 한꺼번에 듣게 됩니다. 원시 중력파가 존재하는 경우 이를 듣게 됩니다. 그러나 그것은 또한 우리 은하계 내에서 블랙홀, 중성자별, 수많은 백색왜성이 합쳐지는 소리와 울부짖는 소리도 들을 수 있습니다. LISA가 원시 중력파의 배경을 감지하려면 다른 모든 신호를 주의 깊게 식별하고 제거해야 합니다. 초기 우주의 실제 신호를 걸러내는 것은 건설 현장에서 봄바람 소리를 골라내는 것과 같습니다.

그러나 Sundrum은 희망을 선택했습니다. “우리는 연구를 하는 것이 미친 것이 아닙니다.”라고 그는 말했습니다. “실험자들에게는 어려울 것입니다. 완료해야 하는 다양한 작업에 대해 대중이 비용을 지불하는 것은 어려울 것입니다. 그리고 이론가들이 모든 불확실성, 오류, 배경 등을 극복하는 길을 계산하는 것은 어려울 것입니다.”

하지만 여전히 Sundrum은 “가능한 것 같습니다. 약간의 행운이 따른다면요.”