Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo

우주의 탐정 이야기: 유령과 파동을 쫓아서

우주를 거대하고 혼란스러운 콘서트 홀이라고 상상해 보세요. 오랫동안 우리는 빛, 라디오파, X선 등을 감지하는 방식으로 귀를 통해 음악을 듣는 것만 가능했습니다. 하지만 2015년, 우리는 마침내 홀 자체의 진동을 '느낄' 수 있는 새로운 종류의 악기를 만들었습니다. 이것이 바로 중력파입니다. 중력파는 블랙홀이나 중성자별 같은 거대한 천체들이 서로 충돌할 때 발생하는 시공간의 물결입니다. 이는 마치 드럼 연주자가 보이지 않더라도, 거대한 드럼이 쳐질 때 바닥이 흔들리는 것을 느끼는 것과 같습니다.

동시에, 뉴트리노(중성미자)라고 불리는 다른 우주의 전령들도 존재합니다. 이들은 거의 아무것도 부딪히지 않고 우주를 가로질러 질주하는 아주 작고 유령 같은 입자들입니다. 이들은 거대한 별의 죽음과 같은 우주의 가장 격렬한 폭발 과정에서 생성됩니다. 뉴트리노는 포착하기가 매우 어렵기 때문에, 하나를 찾아내는 것은 사막의 폭풍 속에서 특정한 모래알 하나를 찾아내는 것과 같습니다.

과학자들에게는 큰 의문이 하나 있습니다. 이 두 가지 현상이 함께 일어나는가 하는 점입니다. 거대한 별이 폭발하거나 두 개의 죽은 별이 병합될 때, 중력적인 '쿵' 하는 충격과 고에너지 뉴트리노라는 '유령'을 동시에 내보낼까요? 만약 우리가 동일한 사건으로부터 이 두 가지를 모두 포착할 수 있다면, 그것은 마치 드럼 소리를 들음과 동시에 드러머가 불빛을 번쩍이는 것을 보는 것과 같을 것입니다. 그것은 어떤 종류의 우주적 폭력이 그 신호를 만들어냈는지 정확히 확인해 줄 것입니다. 이 논문은 세계에서 가장 민감한 검출기들을 사용하여 이 두 전령이 범행을 저지르는 현장을 잡으려는 천문학자 팀에 관한 이야기입니다.

위대한 우주의 사냥

이 연구에서 연구진은 특정 유형의 범죄 현장을 찾는 우주의 탐정 역할을 수행했습니다. 그 현장은 바로 남극의 아이스큐브(IceCube) 관측소에서 감지된 고에너지 뉴트리노였습니다. 아이스큐브는 얼음 속에 깊이 묻혀 있는 거대한 검출기로, 이 유령 같은 뉴트리노가 원자와 충돌하여 푸른 빛의 섬광을 만들어내기를 기다리고 있습니다. 아이스큐브가 유망한 뉴트리노를 포착하면, "이봐, 저쪽에서 뭔가 큰 일이 일어났어!"라고 알림을 보냅니다.

연구팀의 임무는 뉴트리노 알림이 발생한 정확한 순간과 정확한 방향을 기준으로 LIGO와 Virgo 중력파 검출기의 데이터를 살펴보는 것이었습니다. 그들은 검출기가 동시에 시공간의 물결을 느꼈는지 확인하고 싶었습니다. 이렇게 생각해 보세요. 만약 아이스큐브가 특정 집에서 비명 소리를 들었다면, 중력파 검출기는 그 바로 그 순간에 바닥이 흔들리는 것을 느꼈는지 확인하는 이웃과 같습니다.

연구진은 단순히 두 블랙홀이 병합하는 것과 같은 특정 유형의 충돌만을 찾은 것이 아닙니다. 그들은 충돌이든, 쾅 하는 소리든, 혹은 이상한 웅웅거림이든 '어떠한' 이상한 소리라도 듣기 위해 "일반적인(generic)" 탐색 방식을 사용했습니다. 그들은 검출기들의 세 번째 주요 관측 단계(O3로 알려진) 동안 아이스큐브가 보낸 23개의 뉴트리노 알림을 조사했습니다. 그들은 신호가 정확히 같은 찰나에 도착하지 않을 경우를 대비하여, 뉴트리노가 도착하기 500초 전부터 도착 후 500초까지의 시간 범위 내에서 데이터를 확인했습니다.

판결: 우주의 홀에 흐르는 정적

정교한 분석을 실행한 결과, 팀은... 아무것도 발견하지 못했습니다. 더 정확히 말하면, 무작위 배경 소음보다 강한 중력파 신호의 증거를 찾지 못했습니다. 이는 마치 어떤 집에서 비명 소리를 들었지만, 바닥을 확인했을 때는 완벽하게 고요했던 것과 같습니다.

이 논문은 이러한 특정 뉴트리노 사건들이 현재의 검출기가 감지할 수 있는 거리 내에서 강력한 중력파를 생성하는 종류의 격렬한 병합이나 폭발에 의해 발생했다는 가설을 명시적으로 배제합니다. 그들은 "결정적 증거(smoking gun)"를 찾지 못했습니다. 하지만 이것이 뉴트리노가 가짜라는 뜻은 아닙니다. 단지 그 뉴트리노들이 우주 폭발에 의해 발생했다 하 하더라도, 그 폭발이 현재의 검출기가 들을 수 있을 만큼 강한 중력파를 보내지 않았거나, 혹은 너무 멀리서 발생했음을 의미합니다.

결과의 확실성을 기하기 위해 연구팀은 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 가짜 중력파 신호를 데이터에 주입하여, 소스가 얼마나 멀리 떨어져 있어도 감지될 수 있는지 실험했습니다. 그 결과, 이진 중성자별 병합(두 죽은 별의 충돌)의 경우 약 3,000만에서 6,000만 광년(30–60 Mpc) 이내에서 발생했다면 발견했을 것이라고 밝혔습니다. 블랙홀이 중성자별을 삼키는 경우라면 약 7,000만에서 1억 4,000만 광년(70–140 Mpc)까지 볼 수 있었을 것입니다. 다른 더 이색적인 유형의 신호들에 대해서는 그 도달 범위가 수천만에서 수억 광년까지 다양했습니다.

이러한 거리 내에서 신호를 발견하지 못했기 때문에, 그들은 "배제 한계(exclusion limits)"를 설정했습니다. 이는 "이러한 유형의 근원이 이 거리 안에 존재했다면 우리는 분명히 보았을 것이라고 90% 확신한다. 발견되지 않았으므로, 아마도 없었을 것이다"라고 말하는 세련된 방식입니다.

연구팀은 또한 자신들의 탐색이 "비모델화된(unmodeled)" 방식이었다는 점을 언급했습니다. 즉, 두 별이 나선형으로 회전하며 합쳐지는 특정한 패턴만을 찾는 것이 아니라, 어떤 형태의 파동이든 찾으려 했다는 뜻입니다. 이 방식은 알려진 사건을 겨냥한 타겟 탐색보다는 민감도가 낮을 수 있지만, 예상치 못한 기이한 신호들을 포착할 수 있게 해줍니다. 아무것도 발견하지 못했다는 사실은, 뉴트리노가 중력파를 만들지 않는 근원에서 왔거나, 혹은 그 근원이 현재의 기술로는 물결을 느낄 수 없을 만큼 단순히 너무 멀리 있다는 것을 시사합니다.

다음 단계는?

논문은 이번 특정 사냥은 빈손으로 끝났지만, 그 방법론은 유효하며 검출기들은 점점 더 좋아지고 있다고 결 결론짓습니다. 연구팀은 향후 관측 단계에서 심우주로부터 올 가능성이 훨씬 높은 다른 유형의 뉴트리노 이벤트("캐스케이드" 알림)를 살펴볼 수 있다고 지적합니다. 또한, 방향 탐지 능력이 개선된 새로운 알림 카탈로그가 곧 제공될 것이며, 이것이 더 정밀하게 탐색을 조준하는 데 도움이 될 것이라고 언급했습니다.

현재로서는 우주의 홀은 이 특정 뉴트리노들에 대해 침묵을 지키고 있습니다. 하지만 탐색은 계속됩니다. 검출기가 새로 가동될 때마다 연구팀은 조금 더 귀를 기울이며, 언젠가 우주의 끝에서 들려올 완벽한 동시적 비명과 진동을 포착하기를 희망하고 있습니다.