중력

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LIGO는 두 개의 블랙홀이 충돌할 때 생성되는 중력파를 감지할 수 있습니다. 크레딧: SXS 프로젝트

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전염병 문제로 인해 3년의 공백이 길어진 후 중력파(블랙홀 충돌 및 기타 우주 대격변의 특징인 시공간 파문)에 대한 탐색이 재개되었습니다.

워싱턴 주 핸퍼드와 루이지애나 주 리빙스턴에 두 개의 대규모 탐지기를 갖춘 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)가 수백만 달러 규모의 업그레이드를 거쳐 향상된 감도로 이제 다시 시작됩니다. 개선을 통해 시설은 2019~20년 이전 실행 기간 동안 일주일에 한 번 정도였던 것과 비교하여 2~3일마다 충돌하는 블랙홀의 신호를 포착할 수 있게 되었습니다.

중력파 관측소 LIGO, 탐지 능력 2배로 향상

자체적으로 840만 유로(미화 900만 달러)의 업그레이드를 거친 이탈리아 피사 근처의 Virgo 탐지기가 합류할 예정이었으나 기술적 문제로 인해 팀이 폐쇄를 연장하고 추가 유지 관리를 수행해야 했습니다. "우리는 여름 말이나 초가을까지 재개할 수 있을 것으로 기대합니다"라고 Virgo 대변인이자 제노아에 있는 이탈리아 국립 핵물리 연구소의 물리학자인 Gianluca Gemme는 말했습니다.

일본 이케노야마 산 아래에 위치한 중력파 탐지기 KAGRA도 5월 24일 재개됩니다. 2020년에 출시된 기술은 비록 더 발전되었지만 미세 조정되고 있으며 감도는 2015년의 LIGO보다 여전히 낮습니다. 도쿄 대학의 노벨상 수상 물리학자이자 수석 연구원인 Takaaki Kajita는 다음과 같이 말합니다. KAGRA는 한 달 동안 LIGO의 운영에 합류한 후 또 다른 시운전 기간을 위해 다시 폐쇄될 예정입니다. 그 시점에서 팀은 간섭계의 4개 주 거울을 20켈빈으로 냉각할 것이라고 Kajita는 말합니다. 이는 KAGRA를 차세대 천문대의 모델 역할을 할 다른 감지기와 차별화하는 기능입니다.

중력파는 크고 가속되는 질량에 의해 생성되며, 파동은 이동하면서 공간 구조를 주기적으로 늘리고 압축합니다. 2015년 LIGO의 역사적인 첫 번째 탐지를 시작으로 지금까지 기록된 90여 건의 중력파 사건 중 대부분은 블랙홀 쌍이 하나로 합쳐지는 과정에서 나선형 운동을 한 것입니다. 두 개의 중성자별 또는 중성자별과 블랙홀의 합병으로 소수가 유사하게 생성되었습니다.

LIGO, Virgo 및 KAGRA는 모두 레이저 빔을 두 개로 분할하고 결과 빔을 긴 진공 파이프의 양쪽 끝에 있는 두 거울 사이에서 반사시키는 동일한 간섭계 개념을 기반으로 합니다. (LIGO에서는 간섭계의 두 '암' 길이가 각각 4km이고 Virgo와 KAGRA에서는 3km입니다.) 그런 다음 두 개의 광선이 다시 돌아와 중앙에 있는 센서에서 겹쳐지도록 만들어집니다. 시공간을 교란하지 않으면 광선의 진동이 서로 상쇄됩니다. 그러나 중력파의 통과로 인해 팔의 길이가 서로에 대해 변하게 되어 파동이 완벽하게 겹치지 않게 되고 센서가 신호를 감지하게 됩니다.

루이지애나 주 리빙스턴에 있는 LIGO 감지기는 미국에 본사를 둔 쌍 중 하나입니다. 출처: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab

일반적인 중력파 현상은 팔의 길이를 양성자 너비의 일부만 변경합니다. 이러한 미세한 변화를 감지하려면 환경과 레이저 자체에서 발생하는 소음으로부터 공들여 격리해야 합니다.

2019~20년 실행 이전에 수행된 업그레이드에서 LIGO와 Virgo는 가벼운 압착이라는 기술을 사용하여 이러한 소음 중 일부를 해결했습니다. 이 접근 방식은 빛이 개별 입자로 구성되어 있다는 사실로 인해 발생하는 고유한 노이즈를 처리합니다. 빔이 센서에 도착할 때 각 개별 광자가 약간 너무 일찍 또는 너무 늦게 도착할 수 있습니다. 이는 레이저 파동이 겹치거나 상쇄되지 않음을 의미합니다. 중력파가 없어도 완벽하게 출력됩니다.