Since existing gravitational observatories can only detect the strongest waves created in collisions of massive black holes and neutron stars, future detectors are being made with ever increasing sensitivities to find more subtle changes in the fabric of spacetime.
현존하는 중력관측소는 아직 블랙홀이나 중성자별 처럼 강력한 중력파만을 감지할 수 있지만 미래에 감도가 더욱 향상되면 미세한 시공간의 변화도 탐지해 낼 수 있게 될 것이다.
One concept being developed is called a Pulsar Timing Array, which would allow scientists to probe Einstein's general theory of relativity and the effects of gravitational waves over thousands of light years.
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수천광년 떨어진 곳에서 날아오는 아인슈타인의 상대론의 중력파를 감지할 수 있는 중력파 관측 기술로 펄사 타이밍 어레이(Pulsar Timing Array)가 개발중이다.
Since a pulsar is a rotating neutron star which emits a jet of radiation, if the beam of the jet points towards Earth, we detect a short radio burst. Those radio bursts arrive at regular intervals, sweeping across the earth for every rotation of the pulsar.
펄사는 강력한 전파원이다. 펄사는 중성자별이 자전하면서 주기적으로 전파를 방출하기 때문에 지구에서 보면 펄스(주기적으로 간헐적인 전파신호)로 관측된다.
The fastest spinning pulsar, PSR J1748-2446AD, which lives within the globular cluster of Terzan 5, 18,000 light years from earth, rotates 716 times per second, which would sound like an F5 tone if the radio pulses were converted to sound. A spinning pulsar is of great interest, because some pulsar's rotation rates are incredibly stable. So much so, that they can arrival the precision of atomic clocks. So, PSR J1748, the fastest spinning pulsar has been measured to rotate exactly once every 0.01395952482 seconds, with an error of less than 600 femtoseconds.
1만 8천광년 떨어져 있는 빠르게 자전하는 펄사 PSR J1748-2446AD는 초당 716회 돈다. 지구에서 관측하면 716 헤르츠 신호의 펄스로 가청 주파수로 변환하면 '파'에 해당하는 음이다[Musical Pitches]. 펄사의 자전은 매우 안정되어 있어서 펄스의 주기가 원자시계 만큼이나 정확하다. 실제로 PSR J1748 펄사의 자전 주기는 0.01395952482 초로 오차는 600 펨토초(1백조 분의 1초, 10^-15초) 밖에 않된다.
This incredibly precise timing, is one of the most accurately measured observables in all of astrophysics. By the way, this pulsar was discovered by Dr. Jason Hessels, who graduated with a Bachelor of Science in Honors Physics from the University of Alberta.
The precision of a pulsars rotation rate is very much like a clock ticking at regular intervals. Just like the effects of gravitational Doppler shift that redshift photons as they escape from a gravity well, gravitational waves alter the timing of pulses from pulsars.
정밀한 펄사의 자전주기는 시계의 똑딱임과 유사하다. 광자가 중력 장벽을 빠져 나올때 적색 편이를 일으키듯이 중력파가 펄사의 똑딱임을 변화 시킨다.
In order to actually do anything useful though, you need several pulsars in an array. Now, you know why they're called pulsar timing arrays.
[원문 설명에 애매함이 있음]
이를 실제로 활용하기 위해선 배열형으로 펄사를 탐지해야한다. 이를 가리켜 펄사 타이밍 어레이라 한다. [여러개의 탐지 시설/혹은 안테나를 묶어 하나의 커다란 고성능 안테나로 사용하는 방법. 위상배열(Phased-Array)이 있다.]
It may be easier to imagine pulsar timing arrays as similar to the technology that underpins the Global Positioning System, or GPS. The GPS sensors in smartphones and navigation devices work by listening carefully for radio signals from GPS satellites high in orbit above Earth. By comparing the arrival time of the pulses from each GPS satellite, your device can triangulate your position on the surface of the earth.
펄사 타이밍 어레이는 GPS 기술에 비유할 수 있다. 다수의 GPS 위성에서 전파 신호를 수신하여 도착된 시각차를 삼각 측량법으로 계산하면 지표면상의 위치를 정확히 알 수 있다. [다수의 위성 사이에 정확하게 동기를 맞춰 발사한 펄스 신호가 지상에 도달하면 거리에 따라 시간차를 갖는다. 이 시간차를 측정은 위상차에 의해 계산된다. 이는 위상배열 안테나와 같은 원리다.]
NASA's NICER/SEXTANT X-ray telescope, which is on the International Space Station, is observing a collection of X-ray pulsars to test out the feasibility of using pulsar arrays as future navigational aids. By listening to the regular pulses from several nearby pulsars, you could triangulate your position anywhere in interstellar space around those pulsars.
우주정거장에 설치된 NASA의 NICER/SEXTANT X선 방원경으로 펄스 신호를 수집하여 미래의 우주선 항행 시스템을 실험하고 있다. 몇개의 펄사로부터 펄스 신호를 수집하여 삼각측량법으로 우주선의 위치를 파악하려는 것이다. [ISS Utilization: NICER/SEXTANT]
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This map, created by the Jet Propulsion Laboratory, was affixed to the Pioneer 10 spacecraft, which after completing a survey of Jupiter became the first satellite with sufficient escape velocity to leave the solar system. The image shows the relative positions of pulsars near Earth with their particular timings encoded on the line that joins them. If this map were discovered, the position of Earth could be deduced.
펄사를 활용한 위치지정은 이미 1972년과 1973년에 각각 발사된 파이어니어 10호와 11호에 장착된 '파이어니어 금속판(Pioneer Plaque)'에 지구의 위치를 새겨 넣었다. 지도에 위도와 경도로 위치를 특정 하듯이 지구에서 가까운 14개의 펄사의 거리와 방향 그리고 주기를 새겨 놓았다
14개 펄사의 방향이 모인 곳이 지구의 위치다. 펄사에서 지구의 거리와 방향을 선을 그어 표시 했고 각 펄사의 식별부호로 주기를 2진수로 기록했다. 펄사의 주기는 1973년에 관측한 것이므로 보이저호가 발사된 연도를 표시하시도 한다. 우주에서 가장 흔한 중성 수소의 천이시 방출되는 전자기파 1420Mhz의 주기(0.000000007=7x10^10초)를 시간의 기본단위로 사용했다.
But our civilization hasn't reached the point of navigating with pulsar timing arrays. Instead, we're patiently listening to them for evidence of large scale gravitational waves passing in between Earth and the pulsars.
아직 우리의 문명이 펄사 타이밍 어레이를 활용해 항성간 여행의 단계에 이르진 못했다. 하지만 펄사와 지구사이를 지나는 대규모 중력파를 꾸준히 탐지하는 중이다.
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When a gravitational wave passes in between the Earth and a pulsar, it causes a distortion of spacetime that affects how signals propagate. Generally speaking, the signals from pulsars will either appear delayed or accelerated due to the influence of a passing gravitational wave.
지구를 스치는 중력파가 시공간을 왜곡한 결과 신호전파[빛의 전달 경로]에 영향을 준다.
Just like a black hole creates a gravitational potential well and the associated effects of gravitational redshift and time dilation, so too can a gravitational wave create immeasurable effect as it passes by.
Imagine for example that you usually drive to work or school on a flat road. The time it takes you to get from point A to point B along your route takes about the same amount of time. What would happen if all of a sudden along the route, a hill appeared? Or what if a depression appeared in the road instead? In both cases, the time it takes you to go from A to B will change ever so slightly depending on the size of the hill. A gravitational wave in spacetime is just like this hill.
예를들어 A지점에서 B지점까지 이동하는 시간을 재보자. 평지라면 매번 이동할 때마다 시간은 동일하다. 갑자기 경로상에 언던이 나타나거나 웅덩이가 나타나면 이동시간은 느려지거나 빨라질 수도 있다.
Only since it's a wave, it will be a moving hill. If the timing of a gravitational wave is just right, it compresses the space time that the pulsar signals are travelling through offsetting the arrival time by a small difference, which is called the timing residual.
중력파는 움직이는 언덕과도 같다. 시공간을 줄일 수도 있고 늘릴 수도 있다. 이동 구간신호에 약간의 시간차를 잃으킨다. 이 시간차를 잔류시간(timing residual)이라 한다.
The timing residual is a measurement of the difference between the expected arrival time of the signal and the observed arrival time. Since gravitational waves can both stretch and squeeze spacetime whether the signal is delayed or accelerated will depend on the geometry of the pulsar timing array and the incident gravitational waves.
잔류시간은 예상 시간과 실제 소요사간의 차이를 측정한다. 시공간을 늘이거나 줄일 수 있는 중력파로 인해 신호전파는 펄사 타이밍 어레이와 입사되는 중력파에 의해 지연되거나 가속되기도 한다.
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So far, this method of monitoring pulsar timing arrays has not resulted in any observations of gravitational waves. However, techniques like these are a complement to the interferometer based gravitational observatories, and will eventually contribute to the detection of more massive binary collisions.
아직 펄사 타이밍 어레이 방식으로 이렇다할 관측 결과를 내고 있지는 않고있다. 하지만 이 방법은 간섭계 기반의 중력파 관측을 보완하여 이중성 관측에 효과를 보게될 것이다.
아직 펄사 타이밍 어레이 방식으로 이렇다할 관측 결과를 내고 있지는 않고있다. 하지만 이 방법은 간섭계 기반의 중력파 관측을 보완하여 이중성 관측에 효과를 보게될 것이다.
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[인터뷰] [커세라 페이지]
What is a pulsar timing array?
Interview with Dr. Ingrid Stairs, Professor at the University of British Columbia
For the poolside timing array, they were looking at an array of pulsars over the sky, but basically all around the sky. So we really need an international collaboration to use telescopes all over the world to do this and the idea is to look for correlations.
So commonalities in the pulse arrival times of these pulses that are around the sky.
So since they're acting like lighthouses though, these are very very regular spinners, stable rotators.
So if they have pulses that come a little earlier, a little late there's some reason for it.
And with the pulsar timing of array, we're looking for pulses that are close together in the sky to be early together or late together.
Pulses that are sort of 90 degrees apart to be out of sync, one comes early, the other comes late. And then pulsars that are a 180 degrees apart on the sky, opposite sides of the sky to be more in sync again, not completely, but mostly.
And so if we can see that pattern in the timing from the pulses all over the sky, we will have some confidence that we've seen a gravitational wave passing near the Earth.
And probably we're going to see gravitational waves from a whole collection of these supermassive black hole binaries, which are slowly spiraling into each other.
We're catching them, we're aiming to catch them at orbital periods of a few years. So not right at the point where they're about to merge, but getting in there.
And we think these should be all over the sky, because galaxy mergers are happening all over the sky.
And if every galaxy has a supermassive black hole at its center which we think they do, then those two black holes should naturally sink in together toward the center of the new galaxy and and produce gravitational waves as they're doing it.
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