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천체에서 오는 중력파와 감마선, X-선, 가시광선 등 전자기파 신호의 동시 관측 최초 성공 2017-10-16

■  국내 연구진 38명을 포함한 국제공동연구팀은 라이고, 비르고, 그리고 70여 개의 지상 및 우주 관측시설들을 사용해 중력파와 전자기파 관측을 동시 수행하는 데 성공함으로써 중성자별의 충돌로부터 일어나는 일련의 물리적 과정을 규명했습니다.

블랙홀 충돌로부터 나오는 중력파 발견(2017년 노벨물리학상 수상)에 이어 중성자별의 충돌에 의한 중력파를 라이고(LIGO)와 비르고(Virgo)로 처음으로 검출함은 물론 감마선, X-선, 가시광선에서도 이 중력파 천체를 포착하는 데 최초로 성공한 것입니다.

이를 통해 중성자별 충돌의 증거로 예측되어 온 킬로노바(Kilonova) 현상과 이의 진행 과정도 동시에 규명할 수 있었습니다. 
※  킬로노바 : 신성(노바, Nova)의 1000배 정도 에너지를 내는 현상이라는 뜻의 킬로노바는 신성과 초신성 사이에 해당하는 에너지를 내는 현상입니다. 이제까지 이론적으로만 알려졌던 킬로노바가 관측적으로 설득력 있게 증명된 것은 이번이 처음입니다. 주 에너지원은 중성자를 빠른 속도로 포획해 만들어지는 무거운 원소가 붕괴하는 과정에서 나옵니다. 신성보다 100만 배 밝은 천체를 초신성 또는 메가노바(Meganova)라 부릅니다.   


○ 지난 8월 17일 오후 9시 41분(한국시간 기준) 국내 연구진(한국중력파연구협력단)이 포함된 라이고와 비르고 과학 협력단은 최초로 중성자별 충돌에 의한 중력파 발생 현상을 관측했고 이 현상을 GW170817로 명명했습니다.

중력파 종료 시각 약 2초 후에는 2초간의 짧은 감마선 폭발 현상이 포착됐고, 약 11시간 후에는 은하 NGC 4993(거리 약 1억 3천만 광년)에서 GW170817에 대응하는 천체가 가시광선으로 발견되면서 GW170817의 위치가 정확히 결정됐습니다.

※  GW170817 영상 바로보기 https://youtu.be/esQHnhzZoGw

 

○ 임명신 서울대 교수(초기우주천체연구단 단장)가 이끄는 광학 연구진은 한국천문연구원의 KMTNet 망원경서울대학교의 이상각 망원경 등을 사용하여 중력파 발생시각 약 21시간 후부터 GW170817에 대한 가시광선 추적관측을 시작했습니다. 
특히 한국천문연구원이 운영하는 KMTNet이 24시간 연속해서 관측한 자료는 GW170817이 킬로노바 현상을 일으켰다는 것을 밝히는 데 중요한 역할을 했습니다.

이와는 별도로 성균관대학교 연구팀도 멕시코에 있는 BOOTES-5 광학망원경과 남극에 있는 IceCube 뉴트리노 천문대로 이 현상을 관측했습니다.

 

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KMTNet 남아공 관측소가 포착한 GW170817의 모습 

 

○ 그 후 얻어진 NASA의 찬드라 X-선 우주망원경의 X-선, 국내 가시광선, 라이고 비르고 관측 연구결과로부터 중성자별 충돌-킬로노바-특이 감마선 폭발 간의 연결고리를 완성할 수 있었습니다.

즉, 중력파를 통해 GW170817이 중성자별 수준 질량의 천체들  충돌임을 확인했고, 중성자별 충돌 결과로 예측됐던 킬로노바 현상과 특이한 감마선 폭발 현상을 전자기파 신호 관측으로 확인함으로써 중성자별 충돌 현상에 대한 관측증거를 확보한 것입니다.

 

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 이번 중성자별 충돌 현상을 시간별로 요약한 그림. 국내연구진은 중력파 신호 검출과 가시광선 신호 추적연구를 수행했습니다.

 

○ 국내 광학관측/중력파 연구진이 국제공동 연구진과 수행한 연구결과는 10월16일자로 2편(주요저자 논문 1편)이 네이처에, 5편(주저자 논문 1편)이 천문학 및 물리학 분야 최상위급 저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)와 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)에 게재 또는 게재 예정입니다. 

특히 킬로노바 특성을 밝힌 네이처(Nature) 논문과 GW170817이 발생한 곳인 NGC 4993 은하의 특성을 분석한 천체물리학 저널 레터스 논문에서는 국내연구진이 핵심적인 역할을 했습니다.

한편 라이고 과학협력단에서는 GW170817이라고 명명된 중력파 관측 결과를 요약한 논문을 피지컬 리뷰 레터스에, 중력파로 측정한 거리와 이미 알려져 있던 NGC 4993의 적색편이 값을 이용해 새롭게 허블상수를 구한 논문을 네이처에 게재했으며 이들 논문에는 한국중력파연구협력단 소속 연구원 14명이 포함됐습니다.

 

○ 이번 연구는 중력파, 감마선, X-선, 가시광선, 적외선, 뉴트리노 입자 등 다양한 방법으로 우주를 연구하는 세계 45개국 900여 기관 소속 50여 개 연구 그룹, 총 3500여 명 과학자들의 협동 연구로 이뤄졌습니다.

국내에서는 한국중력파협력연구단 14명(책임자: 이형목 교수, 서울대), 한국천문연구원(KASI) KMTNet 운영팀 8명(책임자: 이충욱 박사), 서울대학교 초기우주천체연구단 6명(단장: 임명신 교수), 성균관대학교 우주과학연구소 3명(소장: 박일흥 교수) 등 총 38명의 국내과학자들이 이 연구에 참여했습니다. 
또한 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 한국연구재단(이사장 조무제)이 추진하는 기초연구기반구축사업, 리더연구사업(창의적연구) 그리고 이공분야 기초연구사업이 이 연구를 지원했습니다.

 

 

[관련 논문] 이번 관측과 관련해 발표되는 논문 목록

1. Discovery of the X-ray counterpart to the gravitational wave event, GW 170817. 2017, Nature, E. Troja 외 33인 (국내연구진 9명)
2. Distance and properties of NGC 4993 as host galaxy of a gravitational wave source, GW 170817. 2017, ApJL, M. Im, 외 11인 (국내연구진 11명)
3. Multi-Messenger Observations of A Binary Neutron Star Merger. 2017, ApJL, LIGO Scientific Collaboration, Virgo Scientific Collaboration, and Partner Astronomy Groups (총 저자 3500여 명, 국내연구진 38명)
4. The Environment of The Binary Neutron Star Merger GW 170817. 2017, ApJL, Levan, A. J., 외 38인 (국내연구진 1명)
5. GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, PRL accepted (총 저자 1100여 명, 국내연구진 14명)
6. A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant, Nature accepted (총 저자 1300여 명, 국내연구진 14명)
7. Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB170817A, ApJL (총 저자 1150여 명, 국내연구진 14명)

 

 

[참고 용어 설명]

1.라이고(LIGO)와 비르고(Virgo)
라이고는 Laser Interferometer Gravitational wave Observatory(레이저 간섭계 중력파 관측소)의 약자로서 강력한 레이저를 두 개의 수직 방향으로 나누어 보낸 후 끝에 있는 거울에 의해 반사되어 돌아온 것을 간섭시켜 두 팔의 길이가 중력파에 의해 미세하게 변한 것을 측정함으로서 중력파를 검출하는 장치입니다.
각 팔의 길이는 4km이고 미국 루이지애나 주의 리빙스턴과 워싱턴 주의 핸포드에 각각 1기씩 설치돼있습니다. 비르고는 처녀자리를 뜻하는 중력파 검출기로서 라이고와 거의 같은 구조이며 다만 각 팔의 길이는 3km이다. 이태리 피사 부근에 설치돼있습니다.
라이고의 개념은 1970년대에 처음으로 제안됐고 1990년 미국 과학재단에 의해 건설이 승인된 후 1999년에 구조의 대부분이 완성됐습니다. 2002년부터 2010년까지 초기 라이고를 가동시키면서 감도를 점차 끌어 올렸고 2010년~2015년 동안 어드밴스트 라이고를 조립했습니다. 어드밴스트 라이고는 2015년 9월 15일부터 본격적인 가동에 들어갔고 이틀만인 9월 14일 첫 역사적인 중력파 검출에 성공했습니다. 이러한 공로로 라이고를 성공적으로 이끈 세 명의 과학자(라이너 와이스, 킵 손, 배리 배리시)가 2017년 노벨 물리학상 수상자로 선정됐습니다.

라이고는 미국 과학재단(NSF)이 지원하고 이 프로젝트를 구상하고 건설한 MIT와 칼텍이 운영하고 있습니다. 어드밴스트 라이고 프로젝트를 위한 재정적 지원은 미국 NSF가 이끌고 있으며 독일의 막스플랑크협회 영국의 과학기술위원회, 그리고 호주 연구위원회가 상당한 공헌과 기여를 하고 있습니다. GEO 협력단과 호주의 OzGrav 협력단을 포함하는 전 세계의 1200명이 넘는 과학자들이 라이고 과학 협력단을 통해 같이 협력연구를 수행하고 있습니다. 비르고 협력단은 280명 이상의 과학자와 기술자로 구성되어 있고 이들은 20개의 유럽 내 연구 그룹에 속해 있습니다. 이중 6개는  프랑스  CNRS, 8개는 이태리의 INFN, 두 개는 네덜란드의 Nikef  소속이다. 그 밖에 헝가리, 폴란드, 스페인 그룹과 피사 근처에 있으며 CNRS, INFN 그리고 Nikef의 재정지원을 받는 비르고 검출기 실험실을 운영하는 유럽중력파 천문대(EGO)가 있습니다.

 

2. KMTNet(Korea Microlensing Telescope Network, 외계행성탐색시스템)
한국천문연구원이 구축·운영하는 KMTNet은 직경 1.6m 크기의 거울을 장착한 광시야 망원경과 3.4억 화소의 초대형 모자이크 CCD 카메라로 구성된 관측시스템입니다.

칠레CTIO(Cerro Tololo Inter-American Observatory), 남아공 SAAO(South African Astronomical Observatory), 호주 SSO(Siding Spring Observatory) 천문대 등 남반구 3개 국가 관측소에 설치돼 우리은하 중심부를 24시간 연속 관측하는 ‘별이 지지 않는 관측소’로 운영하고 있습니다. 중력렌즈 현상을 이용한 외계행성 탐색에 최적화된 시스템으로, 지난 2014년 5월부터 2015년 5월까지 설치해 수개월간의 시험관측을 거쳐 2015년 10월 2일 본격 가동을 시작했습니다. 남반구 3개 천문대는 경도 상으로 약 8시간 정도 차이가 나므로, 칠레 관측소에서 관측이 끝나갈 즈음에는 호주에서 관측이 시작되고, 호주 관측이 끝날 때면 남아공 관측소에서 이어서 관측이 진행되므로 24시간 연속 관측이 가능한 세계 최초의 외계행성탐색시스템입니다. 외계행성 탐색 이외에, 우리은하 중심부 영역을 관측할 수 없는 시간에는 초신성, 소행성, 외부은하 등 광시야 관측에 적합한 연구들을 진행하고 있습니다.

※ KMTNet 홈페이지 : http://kmtnet.kasi.re.kr/kmtnet/

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남반구 3개국에 위치한 KMTNet과 한국천문연구원 KMTNet 운영팀 모습

 

3. 이상각 망원경(Lee Sang Gak Telescope, LSGT)
2014년 10월, 서울대학교가 교육과 연구를 목적으로 호주 사이딩 스프링천문대에 설치한 43cm 구경의 광학망원경입니다.
원격 및 자동관측이 가능하여 서울에서도 남반구의 밤하늘을 관측할 수 있게 했습니다. 2013년 2월 은퇴한 이상각 서울대학교 명예교수의 기부금과 서울대학교 예산을 합쳐서 건립한 망원경입니다.

2016년 7월에는 한국연구재단 리더연구자 지원사업의 지원으로 이상각 망원경의 카메라를 고성능 천체관측용 카메라인 SNUCAM-II로 업그레이드했고, 이번 연구에 이 카메라가 사용됐습니다.
소형망원경이면서 고감도 카메라를 갖추고 있어서 GW170817 발생 직후는 물론, 발생 1주일 후에도 GW 170817의 희미해진 가시광선 신호를 포착할 수가 있었습니다. 또한 중대역 필터를 장착한 덕분에 GW 170817의 초기 스펙트럼 모양을 관측하여 이를 통해 이 중력파 천체가 킬로노바에 기인함을 알 수가 있었습니다.  미국과 같이 기부문화가 일상화되어 있는 곳에서는 독지가들의 기부금으로 교육/연구용 망원경을 건립하는 경우가 많지만, 우리나라에서는 거의 드물다. 이 점에서 이상각 망원경은 매우 모범적인 경우라고 할 수 있습니다.

 

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이상각 망원경과 연구진 모습

 

4. 한국중력파연구협력단
한국의 연구자들은 한국중력파연구협력단(KGWG,  Korean Gravitational Wave Group, 단장 이형목 서울대 교수)이라는 이름으로 라이고 과학협력단에 참여하고 있다. KGWG는  4개 대학(서울대, 한양대, 부산대, 인제대)과 3개 출연연구소(한국천문연구원, 한국과학기술정보연구원, 국가수리과학연구소)에 속한 30여 명의 물리·천문학자, 대학원생 그리고 컴퓨터 전문가로 이루어진 연구 컨소시엄이다.
한국중력파연구협력단에 속한 14명의 연구자들은 중성자 별 충돌에 의해 나온 중력파 발견  논문에도 저자로 참여하고 있다. 
한국 중력파 연구진은 이번에 중력파를 발견한 어드밴스드 라이고의 관측에 사용된 데이터 분석 소프트웨어와 기기 모니터링에 직접적인 역할을 담당했다.
국가수리과학연구소의 연구진은 이번에 사용된 온라인 분석 소프트웨어의 개발 및 성능 향상에 기여했고 중력파 관측 과정에서 필수적으로 실행되는 실시간 데이터 잡음 제거 소프트웨어와 데이터의 품질을 향상시키는 알고리즘의 개발과 구축에 기여했다.
한국과학기술정보연구원(KISTI)의 글로벌대용량실험데이터허브센터(GSDC)는 기관주요사업과 과학기술정보통신부 기초연구기반구축사업의 지원을 받아 라이고 데이터 그리드와 연동된 컴퓨팅 환경을 구축 운영하고 있다. 한국중력파연구협력단은 KISTI의 전산 자원을 활용해 블랙홀 수치시뮬레이션, 중력파 파형 개발 및 중성자별/블랙홀의 물리량 측정(모수추정)등 중력파 천문자료 분석 연구를 수행하고 있다.

※ 한국중력파연구협력단 홈페이지 :  http://kgwg.nims.re.kr/

 

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콘텐츠 담당자 글로벌협력실 : 정해임 042-865-2195
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