우주 중력파 배경(宇宙 重力波 背景, Cosmic Gravitational Wave Background)은 우주 전체에 걸쳐 무작위적이며 등방적으로 분포하는 중력파 신호의 총합을 의미한다. 개별적으로 관측하기엔 너무 약하거나 수가 많아 분해되지 않는 다수의 중력파원이 중첩되어 형성되는 확률론적 배경(stochastic background)을 말한다.
형성 기원 주로 두 가지 기원으로 분류된다.
- 천체물리학적 배경(Astrophysical Background): 블랙홀 병합, 중성자별 병합, 초신성 폭발, 회전하는 중성자별(펄사) 등 우주 역사의 전 시기에 걸쳐 발생한 다수의 밀집 천체 현상에서 기인한 중력파들이 중첩되어 형성된다. 현재 관측 기술로는 개별적으로 분리 검출되지 않는 약한 신호들이 이에 해당한다.
- 우주론적 배경(Cosmological Background): 우주 초기의 양자 요동, 인플레이션 시기, 우주 끈(cosmic string) 등의 위상 결함, 상전이(phase transition) 등 초기 우주의 고에너지 물리 과정에서 생성된 원시 중력파들이 현재까지 전파되어 온 것이다. 이는 우주 마이크로파 배경(CMB)의 중력파 버전에 해당하며, 초기 우주의 물리학을 직접 탐구할 수 있는 핵심 단서로 여겨진다.
관측 현황 및 의의 펄사 타이밍 배열(Pulsar Timing Array, PTA) 실험들(NANOGrav, EPTA, PPTA, CPTA, IPTA)은 나노헤르츠(nHz) 대역에서 우주 중력파 배경의 존재를 강하게 시사하는 공통 스펙트럼 신호를 2023년경 발표하였다. 이 신호의 기원이 초대질량 블랙홀 이중성계의 천체물리학적 배경인지, 아니면 초기 우주 기원의 우주론적 배경인지는 추가적인 데이터 분석과 이론 모델 비교를 통해 규명 중이다.
레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO, Virgo, KAGRA)는 킬로헤르츠(kHz)~헤르츠(Hz) 대역에서, 향후 우주 기반 관측소(LISA, Taiji, TianQin)는 밀리헤르츠(mHz) 대역에서 각각 다른 주파수 영역의 우주 중력파 배경을 탐색할 예정이다. 각 주파수 대역의 배경 스펙트럼을 정밀 측정함으로써 우주론적 매개변수 제약, 초기 우주 물리학 검증, 은하 진화 및 블랙홀 성장사 이해 등에 기여할 것으로 기대된다.
