강력한 지진이 자주 발생하는 이유 4/4 - 중력파는 어디에서 오는가?

Where Do Gravitational Waves Come From?

Gravitational waves are usually produced in an interaction between two or more compact masses. Such interactions include the binary orbit of two black holes, a merge of two galaxies, or two neutron stars orbiting each other. As the black holes, stars, or galaxies orbit each other, they send out waves of "gravitational radiation" that reach the Earth. However, once the waves do get to the Earth, they are extremely weak. This is because gravitational waves, like water waves, decrease in strength as they move away from the source. Even though they are weak, the waves can travel unobstructed within the 'fabric' of space-time. This how they are able to reach the Earth and provide us with information that light cannot give.

중력파는 보통 2개 혹은 그 이상의 질량을 가진 물체들이 상호 작용하면서 생긴다. 그러한 작용에는 두 블랙홀의 이중 궤도, 두 은하의 병합, 또는 두 중성자별이 서로를 도는 것도 포함된다. 블랙홀, 별들, 그리고 서로를 도는 은하들은 지구에 도달하는 `중력 방사`의 파동을 내보낸다. 한편, 지구에 도달한 파동은 극히 약해진다. 이것은 중력파가 물결처럼 근원에서 멀어질수록 감소하는 것과 같다. 비록 약해졌다고는 하나 시공 구조에서 막히지 않고 이동할 수 있다. 이것이 지구에 도달할 수 있는 이유이며 빛이 주지 못하는 정보를 제공하기도 한다.

Gravitational waves have two important and unique properties. First, there is no need for any type of matter to be present nearby in order for the waves to be generated by a binary system of uncharged black holes, which would emit no electromagnetic radiation. Second, gravitational waves can pass through any intervening matter without being scattered. Whereas light from distant stars may be blocked out by interstellar dust, for example, gravitational waves will pass through unimpeded. These two features allow gravitational waves to carry information about astronomical phenomena never before observed by humans.

중력파는 2개의 중요하고도 독특한 성질을 가진다. 첫째, 전자기 방사를 방출하지 않는 2중 블랙홀에서 파동이 발생하기 위해 가까운 곳에 어떠한 형태의 물질이라도 있어야 할 필요는 없다. 두번째로 중력파는 물질에 간섭받아 흐트러지지 않고 지나갈 수 있다. 멀리 떨어진 별들에서 오는 빛은 성간 먼지에 차단될 수 있는데 반해 중력파는 방해받지 않는다. 이들 두 가지 면에서 중력파는 인류가 관찰하지 못한 천문 현상에 대한 정보를 가지고 있다.

What are the effects of a passing gravitational wave?
중력파가 미치는 영향은 무엇인가?

[Top Right] The effect of a plus-polarized gravitational wave on a ring of particles.
[위 오른쪽] 입자 테두리에 대한 양극 중력파의 영향

[Bottom right] The effect of a cross-polarized gravitational wave on a ring of particles.
[아래 오른쪽] 입자 테두리에 대한 교차극 중력파의 영향

Imagine a perfectly flat region of spacetime, with a group of motionless test particles lying in a plane. Then, a weak gravitational wave arrives, passing through the particles along a line perpendicular to the plane of the particles. What happens to the test particles? Roughly speaking, they will oscillate in a "cruciform" manner, as shown in the animations. The area enclosed by the test particles does not change, and there is no motion along the direction of propagation. In the animation at the right, the wave would be passing from you, through the screen, and out the back.

평면에 놓인 움직임이 없는 테스트 입자군들과 함께 우주의 시간에서 완벽하게 평평한 영역을 상상해 보자. 그때, 약한 중력파가 도착하여 평면에 수직선으로 입자들을 통과한다. 테스트 입자들에 무슨 일이 생길까? 대략적으로 말해서, "십자형"의 방식으로 요동치게 된다. 테스트 입자에 인접한 지역은 변하지 않고, 전파되는 방향을 따라 움직이지 않는다. 오른쪽 애니메이션에서 파동은 당신쪽에서부터 모니터를 뚫고 지나 뒷쪽으로 지나간다.

The foregoing animation is the result of a pair of masses that orbit about each other (e.g., black holes) on a circular orbit or a rotating rod or dumbbell. In this case the amplitude, A, of the gravitational wave is a constant, but its plane of polarization changes or rotates (at twice the orbital or rotating-rod rate) and so the time-varying gravitational wave size or periodic spacetime strain h, exhibits a variation as shown in the animation. If the orbit is elliptical or the rotating rod's centrifugal-force change varies during rotation, then the gravitational wave's amplitude (that is, the amplitude of the periodic spacetime h), A, actually also varies with time according to an equation called the "quadrupole".

위 애니메이션은 회전막대 또는 아령이나 순환궤도에 대해 서로를 도는(블랙홀 등의) 질량 한 쌍의 결과이다. 이 경우에 중력파 A의 진폭은 일정하지만, 양극 평면의 변화 혹은 회전(2배의 궤도나 회전막대 비율)과 시차를 둔 중력파의 크기 아니면 주기적인 우주시간 변형 h 등이 다양하게 나타나 있다. 만약 궤도가 타원형이거나 회전 막대의 원심력이 회전하는 동안 다양하게 변하면 중력파의 진폭(주기적인 우주시간 h의 진폭)은 `4중 극자`라고 일컬어지는 수식에 의해 실질적으로 역시 시간에 따라 변한다.

The effect of Gravity Waves on the Earth
지구에 미치는 중력파의 영향

In his 1983 Ph.D. dissertation, Paul LaViolette called attention to terrestrial dangers of Galactic core explosions, pointing out that the arrival of the cosmic ray superwave they produced would be signaled by a high intensity gamma ray burst which would also generate a strong gravity wave that might be expected to travel forward at the forefront of this superwave and might be the first indication of a superwave's arrival. He pointed out that such gravity waves could induce substantial tidal forces on the Earth during their passage which could induce earthquakes and cause polar axis torquing effects.

1983 Ph.D. 학위 논문에서 Paul LaViolette은 우주선 수퍼파동의 도착은 이의 최초 징후로 예측될 수 있는 중력파를 발생시키는 매우 강렬한 감마선 폭발에 의한 신호일 수 있다고 지적하면서 은하핵 폭발의 지구적 위험에 대해 주의를 촉구했다. 그는 그러한 중력파는 지구를 지나가는 동안 지진을 일으키고, 지축을 요동치게 할 수 있는 상당한 파장력을 야기할 수 있다고 지적했다.

If a gravity wave can distort the space between matter, even on a small scale, the cumulative effect of the earth's core, with its dense mass, and the mantle could result in movement of the crust. The result would be an earthquake.

만약 중력파가 작은 크기에서도 물질 사이 공간을 뒤틀 수 있다면 조밀한 질량과 함께 지구의 핵에 지속적인 영향을 미치고, 맨틀이 껍질을 이동시키는 결과를 가져온다. 이 결과가 지진이 되는 것이다.

While we still do not know the relationship of the arrival on earth of the gamma ray burst and the gravity wave, we would expect that they should coincide within several hours of eachother for near sources, to many days of eachother if the source is distant. To test this hypothesis, we have researched the most notable gamma ray bursts from 1967 to the present.

지구에 도달하는 감마선과 중력파의 상관관계를 아직 알지 못하고 있던 동안에는 가까운 곳에서의 몇 시간 시차에서부터 먼 곳의 며칠 차이나는 시차가 그저 우연일 수 있다라고 예상했었다. 이 가설을 시험하기 위해 우리는 1967년부터 현재까지의 주목할 만한 감마선 폭발을 연구했다.

What causes the strange lights in the sky?
하늘에서 이상한 빛의 원인은 무엇인가?

If this theory is correct, the gravity waves cause the earth to stretch and contract at points where it is vulnerable -- like at certain fault lines. This movement causes sudden friction that generates enormous energy. As this energy reaches the surface it is in the form of plasma, a very unique form of energy that usually forms a toroid or donut shape. The plasma then energizes the surrounding atmosphere as it dissipates and this is seen as a glow or illumination.

만약 이 이론이 정확하다면, 중력파는 지구를 잡아늘리고, 취약한 곳 -- 특정 단층선 같이 -- 은 수축시킨다. 이 움직임은 막대한 에너지의 갑작스런 마찰을 일으키는 원인이다. 이 에너지가 표면에 도달함에 따라 보통 도넛 모양이나  환상형의 매우 독특한 플라즈마 형태가 된다. 플라즈마 에너지는 대기 중으로 흩어져서 번쩍이거나 빛나는 것으로 보인다.