아무나 하는 수학, 과학 & 라디오: BICEP2 관측과 인플레이션의 중력파(1부)

BICEP2 관측과 인플레이션의 중력파(1부)

BICEP2 and Gravitational Wave from Inflation (Part1)

https://youtu.be/qcp6nSCw9mU

[주의] 이래 글은 위의 동영상을 보고 나름대로 요약 및 해석을 덧 붙인 글입니다. 이 블로그에 글을 쓰는 저는 취미 독학자 입니다. 오류가 있을 수 있으니 제시된 링크들을 참조 하십시요. 이 동영상은 2014년에 발표한 BlCEP2의 논문을 기초로 제작된 것입니다. BICEP2의 관측과 그에대한 주장들은 현재까지도 논란 중 입니다.

[00:00] 초기 우주 급팽창(인플레이션 이론, Inflation theory)의 증거라고 여겨지는 빛의 B-형(B-mode)편광을 관측하기 위한 BICEP2 관측실험의 결과를 소개하고 관측 자료를 분석해본다. 이 동영상은 빛의 편광은 E-형 이어야 하는데 회오리 치듯이 나선형의 B-형으로 변한 것은 급팽창 과정에서 발생한 중력파로 인한 것이며 결국 이는 빅뱅의 직접적인 증거라는 주장을 설명한다.

* 이 주장은 현재 논란중이다. [BICEP] B-형 편광은 우주 먼지에 의한 것이라는 주장도 있으며 중력파 이외에 중력 렌즈 현상 때문에 편광 방향이 휘어 보인다는 이론도 있다.[B-모드 편광]

우주 전반에 균일한 열복사 온도를 보여주는 우주 마이크로파 배경 복사(CMB, Cosmic Microwave Background)는 우주 대폭발의 증거로 받아들여지고 있다. 대폭발(Big Bang)직후(10^-36~10^-34초) 급팽창이 일어난 증거로서 마이크로파의 B-형 편광을 예상 했고 이를 관측하기 위한 실험이 BICEP2다. BICEP2 관측을 통해 무엇을 관측했는지 이 관측자료가 어떤 의미인지 분석해 보자. 우주에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다.

[02:05] 먼저 빛의 편광에 대해 알아보자. [전파라고 부르는 전자기 파의 총칭으로서] 빛은 전기장과 자기장이 직각으로 파도치며 두 장이 이루는 면에 직각으로 진행한다. 세가지 상대적인 직각직각이라는 조건을 제하고 두 장이 짝을 이뤄 어떤 각도로 기울어 질지, 혹은 어느 방향을 취할지는 [무작위로] 제각각이다. 말하자면 전기장이 위아래로 진동할지 좌우로 진동할지 혹은 그 사이 어느 각도로든 진동할 수 있다.

[02:35] 빛의 편광(polarization)은 전기장이 진동하는 방향으로 정의된다. 위의 그림에서 보듯이 두 빛은 같은 파장과 주파수 그리고 진폭을 가졌더라고 전기장이 진동하는 방향이 다르므로 편광이 다른 빛으로 정의된다. 우리가 일상적으로 접하는 빛, 예를 들어 전구에서 방출되는 빛은 모든 방향으로 편광된 빛이 섞여 있다. 따라서 이 빛은 편광되지 않은(unpolarized) 빛이라고 한다. 이 빛이 거울에 반사되면 반사면과 평행인 빛으로 편광된다. 편광된 빛만 통과 하므로서 빛의 투과량을 감쇄 시킬 수 있는데 선그래스의 원리다. 수평편광은 산란시키고 수직편광만 통과시켜 빛의 양을 줄인다. 선그래스가 유난히 번들번들 빛나는 이유는 편광필터에 산란되어 상당량의 빛이 반사되었기 때문이다. 그리고 이 빛들은 편광 되어 있다. 입자(particles)에 의해 빛이 편광될 수 있다는 점에 주목하자.

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[3:46] 전자기파의 편광은 나중에 다시 다루기로 하고, 우주배경복사(CMBR)와 대폭발(Big Bang) 이론의 관계를 살펴보자. 138억년 전에 매우 뜨겁고 밀집되어 있던 우주가 갑자기 시공간 (space-time)으로 팽창했다. 공간이 늘어나 냉각되었다. 먼지와 가스들이 서로의 중력에 뭉쳐져 (중력붕괴, collapse under gravity) 별이 되고 은하를 형성했다. 그중에 행성도 만들어지고 인간도 생겨났다. [먼지와 가스들의 재료가 될 수소 원자는 대폭발 후 38만년 후에 형성됐다.]

[04:20] 대폭발과 중성 수소 원자가 처음 생겨난 아주 짧은 기간 동안 우주는 아주 뜨겁고 밀집되어 있었다. 엄청난 에너지를 품은 뜨거운 공간은 자유전자와 양성자가 분리된 플라즈마(plasma) 상태였다. 너무나 밀집되어 있어서 빛이 통과할 수 없다. 빛이 방출되었지만 자유전자에 부딧혀 산란된 빛은 멀리 나갈 수 없다.

[04:50] 공간이 팽창하여 냉각되자 (운동에너지를 잃은) 전자와 양성자가 결합해 중성 수소가 형성되기 시작했다. 자유전자의 수가 줄어들자 빛은 멀리 퍼져 나갈 수 있게 되었다. 비로서 우주가 투명해졌다. 빅뱅이 일어난 후 38만년이 지났을 때이다.

[05:05][자유전자의 밀도가 낮아져] 투명해진 우주공간에 퍼져 나간 빛 (전자기파)이 오늘 날 우리가 보는 하늘의 모습이다. 우주 전체에 걸쳐 고르게 빛이 분포하는데 마이크로 웨이브 밴드(~160Ghz)에서 본 현재 모습이다. 어떤 물리적 에너지 교환도 빛의 속도를 넘지 못함에도 우주 전반에 걸친 온도 분포의 등방성을 보여주는데 이는 빅뱅 후 우주가 급속히 팽창하여 오늘에 이르렀기 때문이다. 따라서 CMBR의 등방성은 빅뱅이 남긴 흔적이라고 받아들여지고 있다.

[05:45] 전 우주의 온도 분포가 완전히 균일한 것은 아니며 다소 불균일 함을 보이는데 그 크기는 1만분의 1가량으로 매우 작다[ΔT/T = 1.23x10^-3K]. 이런 온도 분포의 불균일함과 함께 복사에 미묘한 편광(polarization)도 관측 되었다. 이런 편광은 어디에서 기인하는 것일까? 우주가 투명해지기 전, 플라즈마의 자유전자와 빛줄기가 상호 작용을 일으키던 상황을 짚어보자.

* 관측 위성(COBE/Plank/WMAP)으로 우주 배경복사 마이크로파의 세기가 가장큰 파장은 λ=1.9mm(ν_max=~160.2Ghz)으로 관측 되었다. 이는 우주 전체를 흑체(black body)로 봤을때 2.725K 의 온도에 해당하는 흑체복사 스펙트럼과 일치한다. [우주 마이크로파 배경]. 흑체복사 에너지 분포 [플랑크 법칙][빈 변위 법칙]

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우주에서 방출되는 빛(전자기파)는 모든 방향으로 편광된 빛들의 혼합이다. 편광은 어떻게 생겨난 것일까?

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[06:41] 편광되지 않은[전기장이 수직인 빛과 수평인 빛 이외 모든 각도로 기울어져 섞여있는] 빛의 다발(un-polarized lights)이 우측에서 자유 전자 쪽으로 입사 했을때 자유전자에 의해 산란되어 화살표(화면에서 튀어나오는) 방향으로 산란되는[=경로가 굽어져 나오는] 빛을 구해보자.

[뜨거운 프라즈마 가스에서] 방출된 빛은 실제로는 모든 각도로 편광이 이뤄진 빛이 섞여 있다. 즉, 편광되지 않은 빛이 자유전자의 왼쪽에서 입사한다고 하자. 입사하는 빛줄기를 수평 및 수직 편광된 빛으로 단순화 시켜서 전자의 진동에 따라 두가지 편광을 고려할 수 있다. 입사한 빛이 자유전자와 충돌[빛의 전기장과 자유전자의 상호작용]하여 수평 혹은 수직으로 진동 시킬 수 있다.

입사한 빛다발이 자유전자를 수평으로 진동시킨 경우 수평진동하는 전자는 수평편광 필터가 되어 이후 입사하는 빛은 수직 편광된 빛만 통과시키고 수평편광 빛은 산란된다. 관찰 방향에서 이 빛은 관측되지 않는다.

수직편광된 빛이 먼저 자유전자를 상하로 진동시킨 경우 수평편광된 빛은 통과하고 수직편 광된 빛은 산란된다. 관찰 방향에서 산란된 수직편파된 빛의 일부가 관측된다.

빛은 자유 전자로 전방향에서 입사한다. 이번에는 위에서 아래로 빛이 입사하는 경우 산란되어 관측되는 빛을 보자.

관측방향에서 산란된 빛을 보자. 산란은 모든 방향에서 일어날 수 있다는 점을 감안하면 산란되어 관측된 빛 역시 편광성을 특정할 수 없다.

만일 자유전자로 입사되는 방향에 따라 빛이 방출된 지점의 온도가 다르다고 하자. [방출된 빛은 흑체복사다.] 온도에 따라 최대 파장의 차이도 있고 빛의 세기도 차이가 있다. 뜨거운 영역에서 방출된 빛으로 관측지점에서 편광성을 결정 할 수 있다. 이 편광성을 가지고 널리 퍼져 나가 오늘날에 이르렀다.

현재 관측되는 우주 배경의 편광은 138억년 전의 흔적이다. 초기 우주의 밀집된 플라즈마에서도 온도 불균일이 있었고 그로 인해 생긴 편광을 측정 했다는 것인데 우주배경의 온도분포의 차가 만분의 1임을 감안하면 이는 엄청난 정밀 측정이다! BICEP2 이 관측 해려 했던 것이 바로 이 편광이다.

[10:06] 남극에 설치된 BlCEP2의 관측장비(전파 망원경)의 모습이다. 건조하고 높은 고도에 위치하여 CMB 관측의 최적지다. 은하 중심 방향에서도 떨어져 있어서 우리 은하내 뿐만 아니라 외부 은하의 별 전파원의 영향도 작다. 말그대로 아무것도 없는 배경을 향하고 있다.

위 사진의 오른쪽은 BICEP2 망원경의 수광부(focal plane) 모습이다. 초전도 전이단 센서(Transistion-Edge Sensor: TES)라고 하는데 파장이 1.9mm에 불과한 150Ghz 대역의 전파를 수신하는 안테나를 (유리)박막 위에 초전도 물질을 증착시켜 만든 것이다. 초전도체는 열잡음을 줄이기 위해 0.25K에서 작동한다. 수신된 마이크로파의 손실을 최소화하기 위해 안테나는 물론 필터와 증폭기 회로들을 모두 박막위에 집적시켰다. 총 512개의 배열 안테나로 구성되었다[BICEP2 2014 Release lmage Gallery].

[11:00] 관측으로 얻어진 영상은 광범 위한 하늘에 펼쳐진 빛의 편광 지도다[경도(R.A) 범위가 50도에서 -50도, 위도(Dec.) 범위는 -50도에서-65도]. 청색과 적색은 온도차로 무려 백만분의 1도(μK)다. E-형과 B-형의 두 가지 편광 패턴을 보였다.

[12:30] 초기우주 플라즈마의 온도차에 의한 편광은 E-형만 발생한다[전기장에 의해 자유전자를 흔들어 일어난 편광이다.]. 따라서 우주 마이크로파 배경 복사에도 E-형만 검출되어야 했다. 하지만 BICEP2 팀의 정밀관측(온도 편차가 0.3μK 범위)해 보니 B형 편광이 관측되었다. 이 B-형 편광은 어떻게 생겨난 것인가? 첫번째 가능성은 우주배경복사로 퍼져 나가면서 다른 은하나 무거운 천체의 영향을 받아서 틀어질 수도 있고, 두번째로 BICEP2 팀의 주장인데 인플레이션 급팽창으로 인해 발생한 중력파로 인해 시공간이 휘어 발생한 것이라고 한다. 이 B-형 편광은 단지 온도차(플라즈마 밀도차)에 의해 생겨날 수는 없으며 시공간의 수축과 팽창의 결과라는 것이다. 이런 강력한 시공간의 변화를 일으킬 수 있는 요인은 빅뱅 밖에 없다. BICEP2 팀이 주장하는 인플레이션의 증거에 대해 다음편에 살펴보기로 한다.

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B-형, E-형 편광 참조[Some Light Quantum Mechanics by 3Blue1Brown]