법칙완성

사중극 복사 공식 (Quadrupole Radiation Formula)

1. 사중극 공식

법칙1.1사중극 복사 공식

느린 운동(v≪cv \ll c)하는 물질 분포에 의해 생성되는 중력파는, 원거리장에서 질량 사중극 모멘트의 2차 시간 도함수에 의해 결정된다:

hijTT(t,x)=2Gc4RQ¨ijTT(tret)h_{ij}^{TT}(t, \mathbf{x}) = \frac{2G}{c^4 R} \ddot{Q}_{ij}^{TT}(t_{\text{ret}})

여기서 R=∣x∣R = |\mathbf{x}|는 원천까지의 거리, tret=t−R/ct_{\text{ret}} = t - R/c는 지연 시간이다.

축소 사중극 모멘트(reduced quadrupole moment):

Qij=∫ρ(x,t)(xixj−13δijr2)d3xQ_{ij} = \int \rho(\mathbf{x}, t)\left(x_i x_j - \frac{1}{3}\delta_{ij} r^2\right) d^3x

상첨자 TTTT는 횡 무흔적(TT) 사영을 나타내며, 사영 연산자 Λij,kl\Lambda_{ij,kl}을 통해:

QijTT=Λij,kl QklQ_{ij}^{TT} = \Lambda_{ij,kl} \, Q_{kl}

2. 사중극 공식의 유도

유도사중극 공식 유도

로렌츠 게이지에서 선형화된 장방정식의 해:

hˉij(t,x)=4Gc4∫Tij(tret,x′)∣x−x′∣ d3x′\bar{h}_{ij}(t, \mathbf{x}) = \frac{4G}{c^4} \int \frac{T_{ij}(t_{\text{ret}}, \mathbf{x}')}{|\mathbf{x} - \mathbf{x}'|}\,d^3x'

느린 운동 근사: 원천의 크기 d≪λd \ll \lambda(파장)이면, 원거리장에서 ∣x−x′∣≈R|\mathbf{x} - \mathbf{x}'| \approx R으로 근사할 수 있다:

hˉij≈4Gc4R∫Tij(tret,x′) d3x′\bar{h}_{ij} \approx \frac{4G}{c^4 R}\int T_{ij}(t_{\text{ret}}, \mathbf{x}')\,d^3x'

핵심 단계는 ∫Tij d3x\int T_{ij}\,d^3x를 질량 사중극 모멘트로 변환하는 것이다. 에너지-운동량 보존 ∂μTμν=0\partial_\mu T^{\mu\nu} = 0을 이용한다.

∂0T00+∂kTk0=0\partial_0 T^{00} + \partial_k T^{k0} = 0에서:

∫T00xixj d3x=1c2d2dt2∫T00xixj d3x⋅(부분적분 2회)\int T^{00} x^i x^j \, d^3x = \frac{1}{c^2}\frac{d^2}{dt^2}\int T^{00} x^i x^j \, d^3x \cdot (\text{부분적분 2회})

정확하게는:

12d2dt2∫T00xixj d3x=∫Tij d3x\frac{1}{2}\frac{d^2}{dt^2}\int T^{00} x^i x^j \, d^3x = \int T^{ij}\,d^3x

따라서:

∫Tij d3x=12I¨ij\int T_{ij}\,d^3x = \frac{1}{2}\ddot{I}_{ij}

여기서 Iij=1c2∫T00xixj d3xI_{ij} = \frac{1}{c^2}\int T^{00} x^i x^j \, d^3x는 **2차 질량 모멘트(second mass moment)**이다.

흔적 부분을 빼면:

hˉij=2Gc4RQ¨ij(tret)\bar{h}_{ij} = \frac{2G}{c^4 R}\ddot{Q}_{ij}(t_{\text{ret}})

TT 사영을 적용하면 최종 사중극 공식을 얻는다.

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3. TT 사영

정의1.2TT 사영 연산자

전파 방향 n^\hat{n}에 대한 **TT 사영 연산자(TT projection operator)**는:

Λij,kl(n^)=PikPjl−12PijPkl\Lambda_{ij,kl}(\hat{n}) = P_{ik}P_{jl} - \frac{1}{2}P_{ij}P_{kl}

여기서 Pij=δij−ninjP_{ij} = \delta_{ij} - n_i n_j는 n^\hat{n}에 수직한 면으로의 사영이다.

n^=z^\hat{n} = \hat{z}일 때:

Λij,kl={특정 성분만 선택하여hxxTT=12(Qxx−Qyy),hxyTT=Qxy\Lambda_{ij,kl} = \begin{cases} \text{특정 성분만 선택하여} \\ h_{xx}^{TT} = \frac{1}{2}(Q_{xx} - Q_{yy}), \quad h_{xy}^{TT} = Q_{xy} \end{cases}

편광 진폭은:

h+=Gc4R(Q¨xx−Q¨yy),h×=2Gc4RQ¨xyh_+ = \frac{G}{c^4 R}(\ddot{Q}_{xx} - \ddot{Q}_{yy}), \qquad h_\times = \frac{2G}{c^4 R}\ddot{Q}_{xy}

4. 중력파 광도 (아인슈타인 사중극 공식)

법칙1.2아인슈타인 사중극 공식

전 방향에 대해 적분한 중력파 **총 광도(total luminosity)**는:

P=−dEdt=G5c5⟨Q...ijQ...ij⟩P = -\frac{dE}{dt} = \frac{G}{5c^5}\left\langle \dddot{Q}_{ij}\dddot{Q}_{ij}\right\rangle

이것이 **아인슈타인 사중극 공식(Einstein quadrupole formula)**이다.

구체적으로:

P=G5c5∑i,j⟨(d3Qijdt3)2⟩P = \frac{G}{5c^5}\sum_{i,j}\left\langle\left(\frac{d^3 Q_{ij}}{dt^3}\right)^2\right\rangle

전자기 복사와의 비교:

  • 전자기 복사: 쌍극(dipole) ∼d¨id¨i\sim \ddot{d}_i \ddot{d}_i (전하 보존이 단극 복사를 금지)
  • 중력파 복사: 사중극(quadrupole) ∼Q...ijQ...ij\sim \dddot{Q}_{ij}\dddot{Q}_{ij} (질량과 운동량 보존이 단극과 쌍극 복사를 금지)

5. 쌍성계에의 적용

예제원형 쌍성계의 중력파

질량 m1,m2m_1, m_2인 두 천체가 반지름 aa의 원형 궤도를 도는 경우, 궤도면을 xyxy 평면으로 택하면:

축소 사중극 모멘트의 성분:

Qxx=12μa2cos⁡2Ωt,Qyy=−12μa2cos⁡2Ωt,Qxy=12μa2sin⁡2ΩtQ_{xx} = \frac{1}{2}\mu a^2 \cos 2\Omega t, \quad Q_{yy} = -\frac{1}{2}\mu a^2 \cos 2\Omega t, \quad Q_{xy} = \frac{1}{2}\mu a^2 \sin 2\Omega t

여기서 μ=m1m2/(m1+m2)\mu = m_1 m_2/(m_1+m_2)는 환산 질량, Ω\Omega는 궤도 각진동수이다.

중력파 진동수는 궤도 진동수의 2배이다: fGW=2forbf_{GW} = 2f_{\text{orb}}.

중력파 광도:

P=32G45c5(m1m2)2(m1+m2)a5P = \frac{32 G^4}{5 c^5}\frac{(m_1 m_2)^2(m_1 + m_2)}{a^5}

처프 질량(chirp mass) M=(m1m2)3/5(m1+m2)1/5\mathcal{M} = \frac{(m_1 m_2)^{3/5}}{(m_1+m_2)^{1/5}}을 정의하면, 중력파 진동수의 시간 변화율은:

f˙=965π8/3(GMc3)5/3f11/3\dot{f} = \frac{96}{5}\pi^{8/3}\left(\frac{G\mathcal{M}}{c^3}\right)^{5/3}f^{11/3}

이로부터 중력파 파형을 관측하여 처프 질량을 직접 측정할 수 있다.

6. 헐스-테일러 펄서

예제헐스-테일러 쌍성 펄서의 궤도 감쇠

PSR B1913+16 (헐스-테일러 펄서)은 1974년에 발견된 쌍성 펄서 시스템으로, 다음 매개변수를 가진다:

  • 궤도 주기: Pb=7.75P_b = 7.75 시간
  • 이심률: e=0.617e = 0.617
  • 총 질량: m1+m2≈2.83M⊙m_1 + m_2 \approx 2.83 M_\odot

사중극 공식에 의한 궤도 주기 감소 예측:

P˙b=−192π5(2πGMc3Pb)5/31(1−e2)7/2(1+7324e2+3796e4)\dot{P}_b = -\frac{192\pi}{5}\left(\frac{2\pi G\mathcal{M}}{c^3 P_b}\right)^{5/3}\frac{1}{(1-e^2)^{7/2}}\left(1 + \frac{73}{24}e^2 + \frac{37}{96}e^4\right)

이론 예측: P˙b=−2.402531×10−12\dot{P}_b = -2.402531 \times 10^{-12} s/s

관측값: P˙b=−2.4056×10−12\dot{P}_b = -2.4056 \times 10^{-12} s/s

30년 이상의 관측에서 이론과 관측의 일치는 0.2%0.2\% 이내이며, 이것은 일반상대론의 가장 정밀한 검증 중 하나이자 중력파 존재의 간접적 증명이다. 이 발견으로 헐스(Hulse)와 테일러(Taylor)는 1993년 노벨 물리학상을 수상하였다.