Gravitational-Wave Fringes at LIGO: Detecting Compact Dark Matter by Gravitational /

LIGO에서 발견된 중력파는 쌍성(블랙홀-블랙홀, 혹은 중성자별-중성자별)이 합쳐지며 발생한 것으로써 상대성 이론의 검증과 작은 블랙홀과 중성자별의 성질 규명에 새로운 이정표가 되었다.

정성훈 교수팀은 잘 알려진 천문학적인 의미에서 나아가, 먼 우주에서 날아오는 중력파에 우주에 흩어져 있는 암흑물질의 (어떤) 정보가 담길 수 있는지, 또 (어떻게) 관측할 수 있는지에 관해 입자물리, 우주론, 그리고 천문학을 접목하는 연구를 개척하고 있다. 기존에는 LIGO에서 중력파에 담긴 암흑물질의 정보를 관측해내기 힘들것이라고 예상해왔다. 왜냐하면 LIGO는 쌍성이 합쳐지는 마지막 1초 내외의 짧은시간에 방출된 중력파만 관측할 수 있고 검출기의 해상도도 떨어지기 때문이다.

본 연구는 이런 기존의 예상을 뒤엎었다. 본 연구에서 발견한 새로운 사실은, 첫째로 중력파가 암흑물질 주변을 지날 때 중력렌징에 의해 중력파 간섭무늬(Fringe)라는 새로운 현상이 생기고, 둘째로 그 간섭무늬가 LIGO에서 관측가능하다는 점이다.
암흑물질의 중력렌징으로 인해 두 갈래로 갈라진 중력파는 우리에게 시간차를 두고 도달하기에 서로 간섭을 일으킨다. 이것이 앞에서 언급한 어려움 속에서도 LIGO에 서 관측가능한 이유는, 중력파의 파형이 시간에 따라 특별한 방식(chirping)으로 변하기 때문이다. 쌍성의 궤도가 점점 작아지며 방출되는 중력파는 그에 따라 중력파의 주파수도 갈수록 높아진다 (그림의 빨간색 파형). 주파수가 변함에 따라 간섭무늬도 변하고 (그림의 파란색 파형), 시간에 따라 반복되는 보강/소멸 간섭무늬를 통해 암흑물질의 존재 뿐만 아니라 그 성질도 유추할 수 있게 되었다. 변하지 않는다면 간섭을 일으켰는지, 우리는 관측할 수 없다.

후속 연구로, 이런 효과를 줄 수 있는 암흑물질의 입자물리학적 성질, 우주론적 생성 메커니즘, 그리고 천문학적 응용, 나아가 새로운 가능성들에 관해 다양하게 연구 중이다.

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.041103