음질량 쌍성은 전례 없는 중력 방사선을 생성한다는 연구 결과가 나왔습니다.

연구자들은 음의 질량을 가진 물체로 구성된 쌍성계가 우주에서 전례 없는 특성을 지닌 중력 복사 신호를 생성할 것이라는 사실을 확인했습니다. 연구 기관 간의 협력으로 개발된 새로운 연구는 중력파 관측소가 이러한 소스를 감지하고 자연의 음질량 존재에 대한 엄격한 제한을 설정할 수 있다고 제안합니다.

알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 공식화한 일반 상대성 이론은 수학적으로 음의 질량을 가진 물체의 존재를 허용합니다. 이러한 이론적 가능성에도 불구하고 근본적인 질문은 여전히 ​​열려 있습니다. 그러한 대중이 현실에서 건설될 수 있습니까? 새로 발표된 연구는 중력 복사의 특정 패턴을 감지하여 이 질문에 답하기 위한 관측 전략을 제공합니다.

세 가지 질량 범주가 물체의 동작을 정의합니다.

물리학은 물체가 중력 및 장과 상호 작용하는 방식을 결정하는 세 가지 범주로 질량을 분류합니다. 관성질량은 힘이 작용할 때 물체의 가속도에 대한 저항을 나타냅니다. 활성 중력 질량은 주변의 다른 물체에 영향을 미치는 중력장을 생성하는 물체의 능력을 나타냅니다. 수동 중력 질량은 우주의 다른 물체에 의해 생성된 중력장에 물체가 어떻게 반응하는지를 정량화합니다.

선형 운동량 보존 법칙에 따르면 활성 및 수동 중력 질량은 동일해야 합니다. 만약 서로 다르다면, 중력 상호작용 동안 한 물체가 얻은 운동량은 다른 물체가 잃은 운동량에 의해 보상되지 않을 것이며, 이는 물리학 법칙의 기본 대칭 원리를 위반하는 것입니다. 이러한 제한은 공간적 병진 불변성, 즉 시스템이 공간에서 위치를 변경할 때 물리적 법칙이 변하지 않는 속성에서 직접 나타납니다.

등가의 원리는 중력과 관성 현상을 연결합니다

등가 원리는 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 기초를 구성합니다. 이는 물체의 관성 질량이 수동 중력 질량과 동일하다고 가정합니다. 이 명제는 갈릴레오 갈릴레이의 연구부터 현대 연구에 이르기까지 수세기에 걸친 실험적 관찰을 기반으로 하며, 모두 서로 다른 질량을 가진 물체가 질량의 구성이나 크기에 관계없이 중력의 영향을 받아 동일하게 가속된다는 것을 보여줍니다.

연구자들이 음의 질량을 갖는 가상 물체에 대해 논의할 때, 그들은 종종 선형 운동량 보존과 등가 원리가 모두 유효하다고 가정합니다. 이 가정은 세 가지 형태의 질량이 음의 질량에서도 동일하다는 것을 의미합니다. 그러나 등가 원리는 양의 질량에 대해서만 실험적으로 검증되었습니다. 음의 질량의 경우 대칭이 유지되지 않아 새로운 물리적 시나리오가 열릴 수 있습니다.

양극성 방사선은 중력 질량이 다른 시스템에서 나타납니다.

저명한 연구자들과 공동으로 개발한 최근 발표된 기사는 중력 질량과 관성 질량 사이의 비율이 서로 다른 두 물체를 포함하는 이진 시스템이 쌍극 중력 복사를 방출한다는 것을 보여줍니다. 이 패턴은 LIGO, Virgo 및 KAGRA 중력파 검출기에 의해 지금까지 확인된 모든 검출에서 관찰된 유형인 사중극자 중력 복사와 근본적으로 다릅니다.

물리적 상황은 양의 관성 질량을 갖는 반대 부호의 전하 시스템과 유사합니다. 현재까지 관측소에서는 쌍극 중력 복사에 대한 증거가 기록되지 않았습니다. 가능한 쌍극자 방사선 방출에 대해 이러한 장비에 의해 부과된 관측 한계는 매우 엄격하여 그러한 시스템이 나타낼 수 있는 특성을 심각하게 제한합니다.

우주에 등가 원리를 엄격히 준수하는 음의 질량만 포함되어 있는 시나리오에서도 이러한 질량을 포함하는 이진 시스템은 현재 알려진 것과 근본적으로 다른 중력파 신호를 생성합니다.

• 총 질량이 음수인 시스템은 구성 요소 사이에 반발력을 생성하여 안정적이고 오래 지속되는 쌍성 궤도를 형성하는 것을 불가능하게 만듭니다.
• 음의 질량이 양의 질량보다 크기가 낮은 총 양의 질량을 갖는 시스템은 원형 궤도를 허용하지만 수축이 아닌 팽창을 통해 진화하여 주파수가 감소하는 처프 방지 신호를 생성합니다.
• 총 질량이 0인 시스템은 주기적인 궤도 운동을 배제하고 쌍이 빛의 속도로 가속되는 물리적으로 제어되지 않는 솔루션에 해당합니다.

안티 처프(Anti-chirp)는 알려진 합병 서명을 되돌립니다.

기존 쌍성계의 동작과 음의 질량을 포함하는 시스템의 차이는 근본적으로 궤도의 에너지 진화에 있습니다. 두 개의 양의 질량을 갖는 기존의 이성계에서 궤도 에너지는 음수로 시작하여 분리가 감소함에 따라 점차 음수가 됩니다. 시스템이 중력파 방출을 통해 에너지를 잃으면 이러한 손실로 인해 시스템이 나선형으로 이동하여 주파수가 점진적이고 지속적으로 증가합니다.

반대로, 양의 총 질량을 갖는 양-음 시스템에서는 궤도 에너지가 양의 값에서 시작하여 분리가 증가함에 따라 0을 향해 감소합니다. 중력파 방출로 인한 동일한 에너지 손실로 인해 시스템이 수축하는 대신 팽창하게 됩니다. 이 특성은 주파수가 증가하는 대신 점진적으로 감소하는 처프 방지 신호를 생성하며, 이는 LIGO-Virgo-KAGRA 컨소시엄이 현재까지 감지한 모든 소스에서 관찰된 패턴과 정반대를 나타냅니다.

현재 중력파 카탈로그에 처프 방지 신호가 없으면 관측 가능한 우주에서 음질량을 포함하는 쌍성계의 잠재적 인구에 대한 직접적인 관측 제약이 제공되며, 존재하는 경우 그 유병률을 극도로 낮은 수준으로 제한합니다.

최근 발견으로 인해 음의 질량 존재도에 대한 의문이 다시 제기되었습니다.

최근 몇 달 동안 두 개의 과학 출판물은 우주에 음의 질량을 가진 풍부한 개체군이 존재할 가능성을 시사했습니다. 이러한 제안은 수십 년 전에 시작된 논의를 다시 활성화합니다. 1957년에 물리학자 허먼 본디(Herman Bondi)는 일반 상대성 이론이 수학적 관점에서 음의 질량의 존재를 엄격하게 허용한다는 것을 보여주는 매우 중요한 작품을 발표했습니다.

나중에 2015년에 Robert Forward는 화학적 또는 기존 연료 없이 음의 질량이 원칙적으로 추진 시스템에 어떻게 사용될 수 있는지 보여주는 자세한 분석을 제시했습니다. 이러한 이론적 탐구에도 불구하고 중요한 질문은 여전히 ​​열려 있습니다. 음의 질량이 실험실에서 만들어지고 유지될 수 있습니까? 아니면 우주에 자연적으로 존재할 수 있습니까?

음의 질량의 존재는 기초 물리학에 심오하고 충격적인 결과를 초래할 것입니다. 이러한 물체는 인과관계의 원칙을 위반하여 엔지니어링 타임머신의 구성 요소 역할을 할 수 있습니다. 이 의미만으로도 음의 질량이 존재한다면 우주의 인과 구조를 보존하는 아직 알려지지 않은 메커니즘에 의해 제한되어야 한다는 것을 암시합니다.

중력파 천체물리학에서는 예상치 못한 원인이 발견되지 않았습니다.

2015년 역사적인 감지를 시작으로 최근 10년간의 중력파 관측을 통해 강력한 사건 목록이 생성되었습니다. 그러나 감지된 모든 소스는 블랙홀 병합 및 중성자별 충돌이라는 예측 범주에 속합니다. 이 새로운 관측 영역에서는 완전히 예상치 못한 출처가 나타나지 않았습니다.

이 결과는 천문학의 전체 역사와 현저하게 대조됩니다. 천문학자들은 전자기 스펙트럼의 새로운 대역에서 관측소를 개발할 때마다 근본적으로 예상치 못한 현상을 발견했습니다. 전파 망원경은 우주 마이크로파 배경 복사, 복잡한 성간 분자 및 빠른 전파 폭발을 밝혀냈습니다. X선 망원경은 블랙홀, X선 배경 복사, 고에너지 은하단을 발견했습니다. 감마선 망원경은 감마선 폭발, 감마선 펄서, 우주 감마선 배경 복사를 식별했습니다.

중력파에 대한 완전히 새로운 발견이 없다는 것은 새로운 관측 능력을 통해 알려지지 않은 현상을 지속적으로 밝혀내던 이러한 과학적 전통에서 주목할 만한 일탈을 의미합니다.

새로운 관측 목표로서의 음질량 시스템

최근 완료된 작업은 구체적인 제안을 제시합니다. 음의 질량 구성원을 포함하는 쌍성 시스템은 관찰된 것과 근본적으로 다른 특성을 가진 중력파 신호를 생성합니다. 이러한 시스템은 운영 및 미래 중력파 관측소를 위한 실행 가능한 새로운 목표를 구성합니다.

그 의미는 두 가지입니다. 첫째, 음의 질량이 실제로 우주에 상당한 양으로 풍부하다면 그러한 관측소는 잠재적으로 이러한 소스를 발견할 수 있습니다. 둘째, 이러한 뚜렷한 신호를 감지하지 못함으로써 탐지기는 우주 구조 전체에 걸쳐 풍부한 음의 질량에 대해 지금까지 달성한 ​​가장 엄격한 관측 한계를 설정하여 우주의 기본 구성에 대한 우리의 이해를 대폭 개선할 수 있습니다.