BICEP2 관측과 인플레이션의 중력파(2부)
BICEP2 and Gravitational Wave from Inflation (Part2)
[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.
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[0:00] 전편[1부]에서 BlCEP2 팀이 우주 마이크로파 배경복사에서 B형 편광을 관측한 것 같은데, 이는 우주 초기 대폭발(Big Bang) 직후(10^-32초) 급격한 팽창에 동반된 중력파 때문이라는 주장을 소개했다. 이번 2부에서는 그 주장을 뒷바침하는 자료를 들여다 본다. 이 중력파는 어떻게 만들어졌을까? 먼저 우주초기 상황을 보자.
[0:30] 현재 관측으로 알게된 우주 가속팽창, 우주 마이크로파 배경복사, 거대규모 우주 구조, 빅뱅과 함께 생겨난 원시 원소들로 가득한 우주와 입자 물리학의 실험을 통해 알게된 입자들의 에너지들을 감안하여 빅뱅후 1초 쯤 되었을 때 우주의 모습이 어땠을지 추정할 확실한 증거를 갖게 됐다. 그때의 상태를 조금 추정해 볼수 있다는 뜻이지 많이 안다고 할 수는 없다.
[1:07] 1970년대 말에 과학자들이 위와 같은 우주 진화도를 더 자세히 들여다(혹은 완성해 가던 중) 볼수록 오늘날의 우주를 구성하는 물질의 밀도와 에너지 분포를 감안하면 기하학적으로 평평한 기하학적 구조를 가져야 한다는데 주목했다. 이를 "평탄화 문제(Flatness problem)"라고 한다.
우주 마이크로파 배경복사의 균일함, 즉 우주의 온도의 균일성에 대한 의문이다. 빛보다 빠르게 온도를 주고 받을 수 없는데 우주 어디를 봐도 같은 온도일 수 있을까? 이를 "수평선 문제(Horizon problem)"라고 한다.
[1:50] 이에 대한 설명으로 우주가 세밀하게 조정된 상태로 (우연히) 시작되었다('미세조정 우주')는 설도 있으나 과학자들은 이에 만족하지 않았다(happen to start in THIS exceedingly finely tuned state). 1980년대 초에 앨런 구스(Alan Guth)가 빅뱅직후 아주 아주 짧은 시간 (10^-32초) 내에 급격히 팽창, 다른 말로 인플레이션(Inflation)을 일으켰다는 가설을 세웠다.
[빅뱅만으로 우주가 팽창했다면 너무 균일해서 지금 같은 우주는 없었을 것이다. 은하, 별, 행성 따위의 천체가 만들어지려면 미세한 밀도 변화가 필요하다. 이를 위해 빅뱅 후 팽창하기전 아주 짧은 시간이 필요하다.]
[2:28] [인플레이션(inflation theory)으로 위의 두가지 문제를 설명]
첫째, 빅뱅이 있던 순간에는 우주가 기하학적으로 평편하지 않았다. 인플레이션으로 인해 공간이 확 펼쳐짐으로써 자동적으로 평탄화 되었다. [solve flatness problem]
둘째, 인플레이션 이전의 한점에 몰려있다가 인플레이션으로 우주 전체에 균일하게 퍼졌다. 이후 우주 전체에 거의 동일한 온도를 가졌다. [solve horizon problem]
[3:00] 양자요동(quantum fluctuation)으로 팽창한 우주가 완전히 균일해지지 않고 약간의 밀도차를 일으켰다. 그덕에 CMB에 작은 온도차를 남겼고 별, 은하, 은하단, 필라멘트 등 오늘날의 우주 구성물들이 만들어졌다.
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[3:32] 인플레이션으로 현재 우주의 모습에 대한 여러 의문들이 설명된다. 하지만 이론일 뿐이며 증거는 없었다. 대부분 연구가 이 인플레이션 이론을 근거로 이뤄졌다. 인플레이션 이론으로 그럴듯한 모형이 제시 되었지만 실험으로 증명할 수 없었다. 아직 인플레이션 당시의 고에너지에 도달할 입자가속 충돌 장치가 없기 때문이다. [몇 개의 입자를 충돌 시키는 매우 소규모 충돌 실험이다.]
[입자들을 충돌시켜 인플레이션 직전 상태로 뭉쳐놓고 관찰해 보면 될 것이다. 현재 가속 충돌기는 양성자들을 가속시켜 핵을 깨트려 내어 미소 입자들의 정체를 밝히는 수준이다.]
[4:35] 실험이 않되면 관측으로 찾아보자. 예상되는 여러 인플레이션 모형중 하나로는 중력파 요동이다.
During the time of inflation, there would be also quantum fluctuations in the curvature of space-time itself. And these fluctuations would produce strong gravitational waves in the very early universe. And as the universe continued to evolve these gravitational waves would pass through hot dense plasma and still be around when the Cosmic Microwave Background formed. Gravitational wave will imprint specific E & B-mode patterns on the polarization of the CMB.
인플레이션으로 시공간이 급격히 왜곡되면서 함께 양자요동이 있었다. 그리고 이 요동(fluctuation)은 아주 초기 우주에서 매우 강력한 중력파(gravitational waves)를 일으켰을 것이다. 이 중력파가 밀집된 플라즈마를 강타하여 CMB에 흔적을 남겼을 것이다. 그 흔적이 CMB 복사의 E 와 B-모드 편광 무늬다.
[5:14] B-형 편광의 세기는 중력파에 달렸고 중력파의 세기는 인플레이션의 특성을 보여주는 근거가 된다.
The specific strength of these B-mode DEPENDS ON the strength of the gravitational waves that were produced and the strengths of the gravitational waves DEPEND ON what the properties of inflation are.
[5:27] 인플레이션에서 벌어졌음 직한 몇가지 가설(모형)을 세워놓고 오늘날 CMB의 편광관측을 통해 얻어진 자료를 가지고 가설을 하나씩 지워가기로 한다. 어떤종류의 중력파 였을지 알게 될 것이다.
Basic properties of inflation and those make different predictions about WHAT KIND OF GRAVITATIONAL WAVES we would get.
[5:43] 이 중력파의 세기와 특성에 따라 CMB의 B형 편광에 독특한 무늬를 남겼을 것이다. 이 B형 편광의 측정이 BICEP2 관측단의 목표였다. B형 편광이 초기 우주에 있었던 중력파에 관하여 무었을 보여줄 것인지, 인플레이션의 강력한 증거일 뿐만 아니라 초기 우주 모형중 어떤 것이 옳은지 알려줄 것이다.
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[6:13] 인플레이션은 빅뱅 직후, 10^(-30) 초에 일어났다는 점을 기억해 두자. 우주 마이크로파 배경(CMB) 복사의 B 모드 편광 측정은 우주의 최초 모습을 보여줄 것이다.
So, this measurement of the B modes in the CMB really gives us a unique view at the first moment of the universe, because again this inflation period occurred about a 10^(-30) second after the Big Bang.
물리 실험은 신중해야 한다. 우주관측도 물론이다. 장비의 감도와 정밀도는 실험의 신뢰도에 중요한 영향을 준다.
[6:35] 실험과 관측에서 수집한 자료에 오류의 가능성은 항상 있다. 측정 대상의 신호에 잡음이나 왜곡이 끼어들 수 있고 측정 장치의 오류일 수도 있다. CMB의 B형 편광의 관측도 예외는 아니다(+False B-mode signal). 초기 우주에 존재하던 밀도차(온도차)에 의해 발생하는 편광은 E형만 가능하다. 하지만 우주공간을 뚫고 멀리서 전해지는 마이크로파는 중간에 거대 은하단을 통과한다. 이때 중력 렌즈 현상(gravitational lensing)으로 우리에게 전해지는 마이크로파는 E형에서 B형으로 뒤틀려 (나선형으로) 보일 수 있다. 중력 렌즈로 인해 빛의 편광이 E형에서 B형으로 뒤틀리는 현상은 실제로 수년 전부터 관측으로 밝혀졌다. 또다른 오류는 성간 먼지(interstellar dust & gas)에 의한 신호 왜곡[산란으로 인하여]이 일어난다. 그외 망원경 자체의 오류(systematic errors: mis-alignment of antenna array H/W, signal processing S/W)도 고려되어야 한다. [전파 망원경의 하드웨어(배열 안테나의 정렬의 정밀성)는 물론 수집된 전파 신호처리 소프트웨어 오류, 계산 정밀도 포함]
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[7:50] BlCEP2 관측단이 발표한 B형 편광 측정에서 이런 문제들을 어떻게 다뤘는지 살펴보자. 그들은 CMB의 B형 편광 지도를 작성하였고 이 편광이 중력파의 영향이라고 주장했다.
그들이 측정한 B형 편광 측정치와 시뮬레이션으로 구한 편광지도(B from lensed-Lambda[Λ]CDM+noise)와 비교하였다. 비교 대상이 된 시뮬레이션은 두 가지 조건이 주어졌다: 중력파의 영향을 받지 않은 경우와 중력렌즈의 영향을 받은 경우다.
The BICEP2 compared their measured B-modes to a simulated map of what you would expect to see if there were no gravitational waves at all and all of the B-modes came from gravitational lensing.
B형 편광의 강도[B형 편광이 나선형으로 휜 정도를 수치화]를 비교해 보니, 실 관측치에 비해 두가지 시뮬레이션으로 얻은 편광의 정도는 현저히 작았다.
And you can see that the strengths of these B-modes are all significantly smaller than the strengths of the B-modes that they actually saw.
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아울러 성간 먼지와 가스에 의해 편광이 왜곡되었을 것을 감안한 다수의 분석모형과도 비교하였다. 이 역시 실측정치에 비해 매우 작았다.
They also considered different models of how interstellar dust and gas may have distorted these B-modes each of these lines represents a different model for the dust but their analysis suggests that these effects would significantly less than the strengths of the B-mode signals that they have detected.
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BlCEP2 관측단은 천구의 여러 각도(angular scale)로 B형 편광 강도의 평균치를 살펴봤다.
They also look at the average B-mode strengths over various angular scales on the sky.
[8:55] In this figure the multi-pole number corresponds to the angular size of the B-mode across the sky. Higher values for the multi-pole moment correspond to smaller regions of the sky. And vertical axis correspond to the strengths of the B-modes on each angular scale.
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[9:14] 도표에서 점선은 인플레이션 만으로 얻어질 수 있는 B형 편광을 나타낸다(Inflation B-Mode). 실선은 은하단 같은 거대 질량이 있던 공간을 통과하면서 중력렌즈 현상으로 휜 가짜 B형 편광이다(Fake B-Mode). 윗쪽의 선은 이들 둘을 합한 값이다.
The dashed line on the bottom corresponds to the B-modes that you would get only from inflation, the solid line corresponds to the B-modes, the fake B-modes that you would get from gravitational lensing of from foreground objects and the top line corresponds to the sum of those two.
[9:33] 위의 도표를 보면 BICEP2의 관측치는 좁은 멀티폴, 넓은 영역에서 인플레이션에 의한 편광 예상치와 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 높은 멀티 폴(multipole), 그러니까 좁은 각도(small angular scale) 영역에서는 중력렌즈 효과가 지배적인데 관측치는 거기까지 측정되지 않았고 중간 영역의 오차도 크다.[BlCEP2의 측정이 좁은 각도 영역에서도 잘 맞았더라면 측정의 실뢰도를 가질 수 있었을 것이다. 더 정밀한 관측장비가 필요해 보인다. BICEP2가 512개의 센서(bolometer)를 가진데 비해 BICEP3는 2560 개의 센서를 장착하게 된다.[BICEP][BICEP2 Visuals][Bolometer]]
도표에 나타낸 r 값은 B형 편광의 세기[나선형으로 기울임의 정도]를 기반으로 중력파의 세기를 나타낸다고 볼 수 있다. 관측자료를 근거로 [통계]분석하여 r 값이 0.2 내외로 나왔다. 이 값은 중력파 영향이 없을 때를 r=0 으로 잡은 것에서 확실히 의미있는 수치다. [2014년 BICEP2에서 발표한 이 수치에 논란이 있었다. 2016년 우주 먼지에 의한 왜곡에서도 비슷한 수치가 나온다는 점이 밝혀졌다. 이는 BICEP2 도 인정했다. BICEP and Keck Array]
This r value that is posted here corresponds to the strength of gravitational waves produced during inflation and based on the strength of the B-modes that were measured. It seems like the most likely value for our based on this data and this analysis is about 0.2. It could be a little bit more, it could be a little bit less, but it seems extremely unlikely that r equals 0 or there were no gravitational waves present in this signal.
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r 은 초기 우주 양자 요동(primordial fluctuation)의 정도를 나타내는 수치다. BICEP2의 분석은 r 값을 높게 잡고 그들의 측정과 비교한 것으로 보인다. [주의: 확실치 않음]
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무엇보다 먼저 빅뱅 직후 우주 초기에 실제로 인플레이션이 있었다는 확실한 증거를 찾았다. 인플레이션 이론은 과학이론의 바람직한 전철을 따랐다. 어떤 이론이 제시 되고 그 증거가 발견될 거라는 예측에 과학자들이 그 신호를 탐구하여 찾아냈다.[일반상대론이 제시 되었고 일식관측으로 중력장 방정식은 증명되었다.]
BICEP2에서 관측한 r=0.2라는 측정치는 대부분 물리학자들이 예상한 것보다 상당히큰 값이다. 이를 기반으로 이론 과학자들은 인플레이션 모델을 수정하고 여러 모형 중 어떤 것이 이런 측정치에 일치하는지 골라낼 것이다. 그리하여 살아남을 모형으로 가설들을을 좁혀간다.
[11:17] B형 편광의 강도로 보아 인플레이션을 일으킨 에너지의 규모(energy scale)를 예상케 한다. 현존하는 가장 큰 입자가속기 보다 수조(trillion)배를 넘는다[전체 우주규모의 에너지가 아니라 입자 당 작용하는 에너지를 말한다.]
어마어마한 에너지 규모를 물리학으로 살펴 보기는 어렵더라도 빅뱅이 일어났던 직후 초기 우주를 이해하는데 도움은 되겠다.[빅뱅과 인플레이션과 오늘의 우주 모습을 연관 지어 생각하는 것이 (어쩌면 황당한)참신한 아이디어가 아니라 근거 있는 사실이다.]
[11:48] 두말할 것도 없이 새로운 관측과 연구가 이어져 초기우주의 중력파와 인플레이션의 증거가 모아져 우주에 대한 우리의 이해가 높아질 것이다.
BICEP2의 관측으로 중력파 천문학(gravitational wave astronomy)이라는 새로운 학문 분야가 탄생하리라 기대한다.[이 동영상은 2014년에 작성됐다. 2016년 중력파 관측기 LIGO는 블랙홀의 충돌(merge)을 성공적으로 관측했다. 중력파 천문학과 다중신호 천문학 시대의 시작]
Thanks to the dedicated efforts of the BICEP2 team we have opened up new way of studying the universe around us. As always it will be exciting to find out what we learned.
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주] BICEP2의 2014년 발표는 큰 반향이 있었으나 오류가 상당히 포함 되었다는 의견이 지배적입니다. BlCEP의 망원경을 고안했던 브라이언 키팅은 이 당시 논란을 책으로 냈습니다.
Losing the Nobel Prize: A Story of Cosmology, Ambition, and the Perils of Science's Highest Honor by Brian Keating, 2018
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[1부]
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[참고]
1. The B-Mode Story You Haven’t Heard, NOVA
