Astrophysics lab,
Dept of Physics,
Ewha Womans University
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천체물리연구실 연구분야
천체물리연구실 연구분야
백색왜성, 중성자별, 블랙홀의 생성과 진화, 성질 연구
백색왜성, 중성자별, 블랙홀의 생성과 진화, 성질 연구
"고주파" 중력파 천체물리학(LIGO, Virgo, KAGRA) 과 가벼운 밀집쌍성병합
"저주파" 중력파 천문학(pulsar timing array)과 거대질량 블랙홀 병합, 우주 중력파 배경, 우주의 진화
다중신호 천문학 + 중력파 ==> 암흑 에너지 규명
머신러닝 방법론을 활용한 중력파 천체물리학 연구
멤버
김정리
김경민 (연구교수)
박채연 (학연 박사과정) with IBS 희귀핵연구단 (https://www.ibs.re.kr/cens/)
졸업생:
김태희 (22석사) -- co-supervisor : 한인식 교수님
졸업논문 "Pion0-hadron Correlations in AU+AU Collisions at sqrt(S_NN)=200GeV with PHENIX at RHIC"
박채연 (석사과정) -- co-supervisor : 한인식 교수님
"Measurement of Radioactivities of Soil Samples from Antarctica Using HPGe Detectors"
전채연(21석사) : 삼성전자
졸업논문 "Development and application of the KAGALI MCMC parameter estimation pipeline for compact binary coalescences"
중력파 천문 관측과 중력파 검출기, 중력파 천체물리학
"고주파" 중력파란 10-2000 Hz 대역의 중력파를 통칭합니다. 주로 중성자별-중성자별 쌍성, 별질량 블랙홀-블랙홀 병합, 초신성 폭발, 자전하는 중성자별 등에서 방출된다고 예측됩니다.
중력파를 직접 활용한 천문 관측은 2015년 블랙홀-블랙홀 병합 발견이 최초의 성공 사례입니다. 각각 태양보다 30배, 40배 무거운 "별질량" 블랙홀이 병합하여 태양보다 67배 정도 무거운 블랙홀 하나를 형성하는 과정이 중력파로 관측되었습니다.
2017년 8월에는 외부 은하에 속한 중성자별-중성자별 병합이 최초로 발견되었습니다. 현재까지 약 50여개의 블랙홀-블랙홀 병합, 중성자별-중성자별 병합이 중력파 관측으로 관측되었으며, 기기 감도가 향상되면 더 먼 우주까지 중력파로 탐색하여 중성자별과 블랙홀을 연구할 수 있게 될 것입니다.
천체물리연구실에서는 어떤 연구를 하나요?
우리 연구실에서는 국제 중력파 검출기 네트워크를 활용하여 얻은 자료를 분석하여 블랙홀이나 중성자별의 질량, 스핀, 거리 등의 물리량을 통계적인 방법으로 알아내고, 이러한 물리량의 분포 함수로부터 중성자별/블랙홀의 생성, 진화 과정을 연구합니다. 최근에는 김경민 박사님과 함께 머신러닝을 활용한 중력파 천체물리학연구도 준비하고 있습니다.
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) , USA (2대) https://www.ligo.caltech.edu/
L1 : LIGO Livingston, LA
H1: LIGO Hanford, WA
Virgo interferometry, Italy https://www.virgo-gw.eu/
KAGRA, Japan https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/
여러 중력파 검출기 중에서 가까운 일본에 있는 KAGRA (카그라) 중력파 검출기 virtual tour 영상이 공개되어있습니다. 아래에서 바로 보실 수 있습니다. 영상에 나오는 Keiko Kokeyama 교수님 (Cardiff U.)은 지난 2학기 물리학과 콜로키움에서 "Observing the Universe from Underground: Gravitational Wave Telescope, KAGRA"를 주제로 강연을 해주셨습니다.
2020년 4월에 열린 과학난제도전협력지원단 주최 한국과학난제도전 온라인 컨퍼런스 발표영상 입니다. 중력파 과학과 다중신호 천문학에 대한 소개 자료의 의미도 있어 올려둡니다.
도전영역9. 우주의 기원 규명
[다중신호 천문학을 이용한 우주 난제 해결]
발표영상에서 다루고 있는 주제는 현재 국내 여러 연구자들과 공동으로 연구가 진행 중입니다.
KAGRA interferometer 소개 영상입니다. 일본 카미오카 산 속에 건설한 3km급 레이저 간섭계입니다.
KAGRA 란?
KAGRA 란?
지표면에 건설되어 있는 LIGO, Virgo와 달리 KAGRA는 "지하"에 건설되어 지구에서 일어나는 다양한 지진활동의 영향을 덜 받습니다. 때문에 3km급이지만, 4km급인 LIGO와 비슷한 감도를 얻을 수 있습니다. 지구상에 건설되어 있는 고주파 중력파 검출기의 감도를 더욱 향상시키기 위해서는 지구상의 중력경사(Newtonian gravity gradient)가 레이저 간섭계 기반 중력파 검출기에 미치는 영향을 조사하고 미리 특정하여, 데이터로부터 잘 제거해주는 것이 중요합니다. 중력경사잡음은 특히 "주파수가 낮은 영역"으로 갈 수록 더욱 커집니다. 이 연구는 지진계를 사용하여 서울(이대 캠퍼스), 청평 지하실험실, 기타 국내 지하실험시설을 방문하여 실제 측정을 하고, 이를 컴퓨터로 분석합니다. 코로나상황이라 방문 실험은 어렵지만, 컴퓨터 시뮬레이션으로 중력파 관측과 관련된 중력 경사 잡음 분석에도 참여할 수 있습니다.
2018년에는 제 4회 KAGRA 국제 워크숍이 이대에서 열렸습니다.
이화뉴스: https://bit.ly/ewhaKIW4
천체물리연구실 연구참여 맛보기
천체물리연구실 연구참여 맛보기
(지난 겨울방학 기간 중에 연구참여 프로그램에 참여했던 학생들의 동의를 받아 2021.1학기 virtual 랩투어 기간 동안에만 연구발표 영상을 공개합니다) 7분입니다.
2021겨울랩인턴_최종발표회_윤수인.mp4펄서(pulsar)란 무엇인가?
우리 연구실에서 주로 다루는 연구 대상이자 probe이기도한 펄서에 대한 간결한 소개 영상입니다
모든 펄서는 강한 표면 자기장을 띄고 빠르게 자전하는 중성자별입니다. 대부분의 펄서는 중성자별의 남/북극에서 전파 빔을 방출합니다. 이때문에 전파 펄서를 "우주의 등대"라고 부르기도 합니다.
중력파 관측 방법중 하나인 펄서 타이밍 어레이(pulsar timing array)는 지구에 레이저 간섭계를 건설하는대신, 지구 주변에 존재하는 여러 펄서를 전파 망원경을 사용하여 정밀하게 관측합니다.
펄서에서 방출되는 전파 빔은 중성자별의 자전 주기에 맞춰 펄스의 형태로 관측할 수 있습니다. 그런데, 먼 우주에서 가깝게 공전하고 있는 두 거대질량 블랙홀로부터 방출된 중력파가 지구 부근을 지나면, 펄서들로부터 방출되는 전파 빔이 지구에 도달하는데 걸리는 시간이 펄서와 지구간의 상대적 위치에 따라 "중력파의 영향"으로 미세하게 달라지게 될 것입니다.
즉, 펄서 타이밍 어레이는 1개가 아닌 여러 개의 펄서를 우주 시계로 삼아 거대 질량 블랙홀과 관련된 중력파에 의해 미세하게 달라진 지구 주변 시공간의 섭동 정도를 측정하고자 고안된 관측입니다. 10여년 넘게 진행되고 있고, nHz 대역의 저주파 중력파를 관측할 수 있을 것으로 기대됩니다. 바로 직접 검출을 하기는 힘들지만, 지속적으로 상한치를 낮추어가고 있습니다.
우리 연구실에서는 우주론 시뮬레이션에서 생성된 블랙홀 자료를 분석하고 이를 바탕으로, 현재 가동중인 펄서 타이밍 어레이 관측의 감도로 우주 중력파 배경의 상한치를 얼마나 낮춰갈 수 있는지 예측하고자 합니다. 뿐만 아니라, LIGO 처럼 펄서 타이밍 어레이도 블랙홀-블랙홀 병합을 개별적으로 관측할 수 있을지를 실제 사용되는 관측 소프트웨어를 활용하여 보다 정확히 예측하고자 합니다.
NASA 에서 소개하는 펄서 영상. 이 영상을 보면 전파 펄서 빔이 어떤 식으로 지구에 도달하는지 알 수 있습니다.
머신러닝을 천체물리학에 활용할 수 있나요?
머신러닝을 천체물리학에 활용할 수 있나요?
물론입니다! 지금의 천문학, 천체물리학, 우주론 연구는 모두 이전에 비해 훨씬 정밀한 관측 결과를 바탕으로한 빅데이터를 분석하고 이해하는 것이 주요 내용이라고 할 수 있을 정도입니다. 따라서, 사람의 힘으로 모든 자료를 분석하는 것은 점점 더 어려워지고 있고, 머신 러닝을 활용한 자료 구분, 자료 해석이 중력파 천체물리학에도 중요한 화두입니다.
김경민 박사님께서 만들어주신 머신러닝의 천체물리학 활용 소개 슬라이드 영상을 올려둡니다. 음성은 없지만, 그림만 훓어보아도 별, 은하 등 다양한 천체 현상에 대해 빛과 중력파 신호를 머신러닝 방법으로 분석하는 연구가 이러이러하게 있구나..라는 것을 알 수 있을 것입니다. 대부분의 연구는 김경민 박사님께서 하신 연구이고, 뒷부분에 우리 연구실에서 앞으로 하고자 하는 연구 내용도 그림과 함께 소개되어 있습니다.
MLtoAstro.m4v읽을거리
읽을거리
학부생도 읽어볼만한 우리말 글을 몇 개 추천합니다.
학부생도 읽어볼만한 우리말 글을 몇 개 추천합니다.
위의 연구참여 학생들의 발표 영상 (실제로 발견된 중력파원들의 성질)과 비교하면 더욱 재밌게 읽을 수 있습니다.
제목: 중력파 천문학 및 천체물리학 시대를 맞이하여.
제목: 중력파 천문학 및 천체물리학 시대를 맞이하여.
[중력파 직접 검출(2015) 보다 약 10년전에 출간된 글임을 감안하며 읽어보세요]
제목: 중력파 과학에도 인공지능이?!
저자: 김경민 (2021)
https://webzine.kps.or.kr/?p=5_view&idx=16581#none
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