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VIRGO 간섭계

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목차

1. 개요

VIRGO 간섭계는 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 이탈리아 국립 핵물리학 연구소(INFN)가 공동으로 건설한 중력파 검출기이다. 1992년 프로젝트 승인을 시작으로 2003년 이탈리아 카시나에서 완공되었으며, 마이컬슨 간섭계를 기반으로 한다. 초기 Virgo 검출기는 2007년부터 2011년까지 과학 데이터를 수집했고, Advanced Virgo 검출기는 감도를 향상시켜 2016년부터 운영되었다. 2017년 LIGO와 함께 최초로 중력파 신호 GW170814를 감지했으며, 중성자별 충돌로 인한 GW170817을 감지하여 다중 신호 천문학의 새 시대를 열었다. 현재는 Advanced Virgo+ 프로그램을 통해 업그레이드가 진행 중이며, O4 실행에 참여했다. VIRGO는 중력파를 통해 우주 팽창 속도, 중력의 특성 등을 연구하고 있으며, 데이터 분석 및 대중과의 소통 활동도 활발히 진행하고 있다.

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VIRGO 간섭계
개요
Virgo 로고
Virgo 로고
목적중력파 검출
본부유럽 중력 관측소
위치Santo Stefano a Macerata, 카시나, 이탈리아
약칭Virgo
모토우주의 속삭임에 귀 기울이기 (Listening to the cosmic whisper)
웹사이트Virgo 공식 웹사이트
조직
유형국제 과학 협력
설립1993년
대변인잔루카 젬메 (Gianluca Gemme)
제휴LVK (LIGO-Virgo-KAGRA 협력)
예산2023년 기준 1,150만 유로
직원Virgo 협력에 약 940명 참여
회원CNRS (프랑스)
INFN (이탈리아)
NIKHEF (네덜란드)
POLGRAW (폴란드)
RMKI (헝가리)
스페인
지도 정보
Virgo 과학 협력 회원국
Virgo 과학 협력 회원국

2. 역사

VIRGO 간섭계(Virgo interferometer)는 1980년대 초 이탈리아의 아달베르토 지아조토와 프랑스의 알랭 브리예가 처음 구상하였다.[23] 이들은 낮은 주파수(약 10 Hz)에서 중력파를 탐지하는 것을 목표로 하였는데, 이는 당시 대부분의 연구가 집중하던 높은 주파수(약 500 Hz)와는 차별화된 접근이었다. 많은 사람들이 낮은 주파수 관측은 불가능하다고 믿었지만, 프랑스와 이탈리아 과학자들은 이 프로젝트를 추진하였다.[23] 1987년에 처음 제안되었으며,[24] 처녀자리 은하단을 참고하여 버고(Virgo)라는 이름이 붙여졌다.[23]

1993년 프랑스 CNRS와 1994년 이탈리아 국립핵물리학연구소(INFN)가 버고 프로젝트를 승인하면서 본격적으로 시작되었다.[25] 1996년 이탈리아 피사 인근 카시나 지역에 탐지기 건설이 시작되어[25] 2003년에 완공되었다.[125]

버고(Virgo) 사이트의 항공 사진. 중앙 건물, 모드 클리너 건물, 총 길이 3km의 서쪽 팔, 북쪽 팔의 시작 부분이 보인다.


2000년 12월, CNRS와 INFN은 유럽 중력 관측소(EGO)를 설립하였고,[122] 이후 네덜란드, 폴란드, 헝가리, 스페인이 참여하였다. EGO는 Virgo 부지의 책임 기관이며, 검출기 건설, 유지보수, 운영 및 업그레이드를 담당한다.

버고의 초기 목표는 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 예측하는 중력파를 직접 관측하는 것이었다.[129] 이중 펄서 1913+16에 대한 연구는 중력파의 존재를 간접적으로 증명했지만,[26] 버고는 이를 직접 관측하고자 했다.

이후 버고 검출기는 초기 버고(Virgo)에서 Advanced Virgo로 업그레이드되었다.

2. 1. 초기 Virgo 검출기 (2003-2011)

2000년대에 Virgo 탐지기가 처음 제작, 시운전 및 운영되었다. 장비는 중력파 신호에 대한 설계 감도에 도달했다. 이 초기 노력은 Virgo 기술 설계 선택을 검증하는 데 사용되었다. 또한 거대 간섭계가 넓은 주파수 대역에서 중력파를 감지하는 유망한 장치임을 입증했다.[174][175] 이 탐지기는 일반적으로 "초기 Virgo" 또는 "원조 Virgo"라고 불린다.

초기 Virgo 감지기의 구성은 2003년 6월에 완료되었으며,[176] 2007년부터 2011년 사이에 여러 데이터 수집 기간이 이어졌다.[177] 이 중 일부는 미국의 LIGO 감지기 2개와 동시에 수행되었다. 최초의 Virgo 감지기는 2007년부터 2011년까지 네 번의 과학 실행 동안 과학 데이터를 기록했다.[178] 2010년에는 Virgo 서스펜션 시스템의 대대적인 업그레이드를 위해 몇 달간 가동이 중단되었다. 원래의 강철 서스펜션 와이어는 열 소음을 줄이기 위해 유리 섬유로 교체되었다.[179] 하지만 초기의 Virgo 감지기는 중력파를 감지할 만큼 충분히 민감하지 않았다.

업그레이드된 서스펜션 시스템으로 몇 개월 동안 데이터를 수집한 후, 초기 Virgo 탐지기는 Advanced Virgo 설치를 시작하기 위해 2011년 9월에 종료되었다.[180]

2. 2. Advanced Virgo 검출기 (2016-현재)

Advanced Virgo 검출기는 초기 Virgo의 한계를 극복하고 감도를 10배 향상시켜, 중력파 탐지 가능성을 크게 높이는 것을 목표로 했다.[171][181] 초기 검출기와 이후 기술 발전을 통해 얻은 경험을 바탕으로, Advanced Virgo는 대대적인 업그레이드를 거쳤다.

Advanced Virgo는 초기 Virgo와 동일한 진공 인프라를 유지하면서도, 미러 타워에서 나오는 잔류 입자를 포획하기 위해 3km 길이의 팔 양쪽 끝에 4개의 극저온 트랩을 추가했다. 또한, 더 커지고(직경 350mm, 무게 40kg) 광학 성능이 향상된 새로운 거울을 도입했다. 간섭계 제어에 사용되는 중요한 광학 요소는 공중에 매달려 있는 벤치에서 진공 상태에 있으며, 미러의 수차를 실시간으로 보정하기 위해 적응형 광학 시스템이 설치되었다. Advanced Virgo의 최종 구성에서 레이저 출력은 200W에 달한다.[242]

Advanced Virgo는 2016년에 시운전을 시작하여, 2017년 5월과 6월에 첫 번째 "엔지니어링" 관측 기간 동안 두 개의 Advanced LIGO 검출기("aLIGO")와 함께 데이터를 수집했다.[182] 2017년 8월 14일, LIGO와 Virgo는 최초로 세 검출기에서 동시에 중력파 신호 GW170814를 감지하여, 중력파원의 위치를 더 정확하게 특정할 수 있게 되었다.[183][184] 이는 Virgo에 의한 최초의 중력파 직접 검출이었다.

Virgo에 의한 최초의 중력파 직접 검출인 GW170814


며칠 후인 2017년 8월 17일에는 GW170817을 감지했는데, 이는 두 중성자별의 충돌로 발생한 중력파로, 전자기파 관측과 함께 다중 신호 천문학의 새 시대를 열었다.[185][186]

이후 Virgo는 2019년 4월부터 1년간 세 번째 관측 실행("O3")을 진행했고,[187] 2020년 3월 27일 COVID-19 대유행으로 인해 조기 중단되었다.[188]

현재 진행 중인 "Advanced Virgo +" 업그레이드는 두 단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 O4 실행 이전, 두 번째 단계는 O5 실행 이전이다. 첫 번째 단계에서는 더 강력한 레이저 도입, O3에서 도입된 압착 개선, 신호 재활용 구현을 통해 양자 노이즈를 줄이는 데 중점을 둔다. 지진 센서도 거울 주변에 설치된다. 두 번째 단계에서는 레이저 빔의 형상을 변경하고, 반사경의 크기를 늘려 더 넓은 영역에 에너지를 분산시켜 온도를 낮추고, 거울의 코팅을 개선하여 반사경에 의한 열잡음을 감소시킨다. 최종 거울은 더 커질 것이며, 이를 위해 서스펜션 개선이 필요하다. 첫 번째 단계의 변경 사항을 바탕으로 두 번째 단계에서도 양자 노이즈에 대한 추가적인 개선이 예상된다.[189]

네 번째 관측 실행(O4)은 2023년 5월에 시작될 예정이었으나,[39] Virgo는 감도 문제로 인해 O4a에 참여하지 못하고, 2024년 4월 10일에 시작된 O4b에 참여했다.

2. 3. 미래

현재 Advanced Virgo+ 프로그램의 일환으로 O4 실행 이후 추가 업그레이드가 진행 중이며, O5 실행은 2027년 6월경에 시작될 예정이다.[39] O5 기간 이후 Virgo 설치의 미래에 대한 공식적인 계획은 아직 발표되지 않았지만, 검출기를 더 개선하기 위한 프로젝트가 제안되었다.[192] 공동 연구의 현재 계획은 버고_nEXT 프로젝트로 알려져 있다.[41]

3. 조직

VIRGO 간섭계는 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 이탈리아 국립 핵물리학 연구소(INFN)가 2000년 12월에 설립한 유럽 중력 관측소(EGO) 컨소시엄에서 관리한다.[162] 국립 원자력 및 고에너지 물리학 연구소(Nikhef)는 옵저버로 참여했다가 정회원이 되었다. EGO는 탐지기의 구성, 유지 관리, 작동 및 업그레이드를 담당하며, 유럽에서 중력 연구를 촉진하는 것을 목표로 한다.[159]

VIRGO 협업체는 검출기의 다양한 측면에서 작업하는 연구원들로 구성되며, 2023년 5월 현재 16개국 142개 기관을 대표하는 약 850명의 회원이 참여하고 있다.[160][163] 여기에는 프랑스, 이탈리아, 네덜란드, 폴란드, 스페인, 벨기에, 독일, 헝가리, 포르투갈, 그리스, 체코, 덴마크, 아일랜드, 모나코, 중국 및 일본의 기관이 포함된다.[164]

VIRGO 협업체는 중력파 감지에 중요한 데이터의 공동 분석을 수행하기 위해 LIGO-버고-KAGRA(LVK) 협력의 일부이다.[165] LVK는 2007년에 LIGO-버고 협력단으로 시작되었으며,[9] 2019년에 KAGRA가 합류하면서 확장되었다.[10]

4. 작동 원리

VIRGO 간섭계는 마이컬슨 간섭계의 원리를 이용하여 중력파를 탐지한다. 45도 각도로 기울어진 빔 스플리터가 레이저 빔을 두 개로 나누고, 두 빔은 서로 수직인 3km 길이의 두 팔을 따라 이동한다. 각 팔 끝에 있는 거울에서 반사된 빔은 빔 스플리터에서 다시 결합하여 간섭을 일으키고, 이 간섭 패턴은 광다이오드로 감지된다.[232]

일반 상대성 이론에 따르면, 중력파가 통과하면 두 빔의 광학 경로가 미세하게 변화하여 간섭 패턴에 변화를 일으킨다. 이 변화를 분석하여 중력파의 존재를 확인한다.[131] 중력파에 의해 유도된 신호는 간섭계 출력에서 감지되는 광 강도 변화에 "내장"되어 있다.[132] 그러나, 여러 외부 요인(노이즈)이 간섭 패턴을 변화시키기 때문에, 이를 제거하거나 완화해야만 미세한 중력파 신호를 감지할 수 있다.[133][134]

간섭계는 단일 광 공동보다 유리한데, 이는 두 팔의 길이 차이에 따라 간섭이 달라지므로, 일부 노이즈가 감소하고 중력파에 의한 효과가 증폭되기 때문이다. 또한, 최적 작동 지점은 "다크 프린지"(소멸 간섭)에서 약간 벗어난 상태로, 출력 포트에서 빛이 거의 검출되지 않는다.

4. 1. 광학적 구성

VIRGO 간섭계는 마이컬슨 간섭계를 기반으로 하며, 실험의 광원은 강력하고 안정적인 레이저이다.[45] 초기 Virgo는 마스터-슬레이브 레이저 시스템을 사용했지만,[47] Advanced Virgo는 견고성을 높이기 위해 섬유 레이저를 사용한다.[48][49] 레이저의 파장은 1,064 나노미터이다.[44]

간섭계의 팔에 있는 대형 반사경은 가장 중요한 광학 부품이다. 3km 간섭계 암 끝에 있는 두 개의 거울과 시작 부분 근처에 있는 두 개의 거울이 각 팔에 공진 광학적 공동을 형성하여 신호의 효과를 최대화한다.[50] 이 거울은 고순도 유리로 만들어져 원자 수준으로 연마되며,[51][52] 반사 코팅이 되어 있다.[54] 암 끝에 있는 거울은 입사하는 모든 레이저 빛을 반사하여, 각 반사에서 0.002% 미만이 손실된다.[53]

초기 VIRGO 검출기의 거울 (VIRGO 현장 전시 모델)


현재 Advanced Virgo 구성. 신호 재활용 시스템(O3 실행 중 간단한 렌즈 사용, 신호 재활용 구현을 위해 반반사 거울로 대체 예정) 추가 및 압축된 진공 주입이 주요 변경 사항


1세대 Virgo 검출기의 광학적 구성 (다양한 공동에 저장된 전력 크기 기록)


최종 디자인에는 두 개의 다른 거울이 있다.

  • 전력 재활용 미러: 레이저와 빔 스플리터 사이에 위치하여 빔 스플리터에서 반사된 빛을 다시 간섭계로 보내 팔의 광 전력을 증가시킨다.
  • 신호 재활용 미러: 간섭계 출력에 위치하여 신호의 일부를 간섭계에 다시 주입하여 특정 주파수에 대한 감도를 조정한다.[44][54]

4. 2. 노이즈 감소

VIRGO 간섭계는 중력파 신호를 탐지하는 데 있어 매우 정밀한 측정이 필요하며, 이를 위해 다양한 노이즈 원을 줄이는 것이 중요하다. 주요 노이즈 원과 그 감소 방법은 다음과 같다.[234][260]

  • 지진 노이즈: 지면의 진동으로 인해 발생하는 노이즈로, 주로 10Hz 이하의 저주파에서 나타난다. 지중해의 파도, 바람, 교통 등 다양한 원인에 의해 발생한다.[83][84] 이를 줄이기 위해 VIRGO의 거울은 복잡한 시스템에 의해 매달려 있다. 주 거울은 일련의 감쇠기에 부착된 4개의 얇은 실리카 섬유에 매달려 있으며, 거의 8m 높이의 이 슈퍼 감쇠기는 진공 상태에 있다.[57][58] 이 시스템은 거울에 대한 교란을 제한하고, 거울의 위치와 방향을 정밀하게 제어할 수 있게 한다.
  • 열 노이즈: 거울 및 서스펜션 와이어의 열 진동으로 인해 발생하는 노이즈로, 수십에서 수백 Hz 사이의 중간 주파수에서 나타난다.[83][84]
  • 양자 노이즈: 레이저 샷 노이즈와 복사압 노이즈를 포함하며, 수백 Hz 이상의 고주파에서 주로 나타난다.[83][84] 샷 노이즈는 광전 다이오드에서 수신된 전력의 변동 때문에 발생하고, 복사압 노이즈는 레이저가 거울에 가하는 압력 때문에 발생한다.
  • 샷 노이즈 감소: O3 실행부터 출력 모드 클리너 앞에 전용 광학 장치를 배치하여 진공 압착 시스템을 도입, 샷 노이즈를 줄였다.[248] 압착 진공 주입으로 양자 노이즈가 고주파에서 3.2dB 감소하고, 검출 범위가 5~8% 증가했다.[65]
  • 주파수 의존형 압착: 현재 주파수 의존형 압착을 설치하여 고주파에서는 샷 노이즈를, 저주파에서는 복사압 노이즈를 줄일 계획이다. 이를 위해 285m 길이의 공동을 추가로 설치해야 한다.[249][250]
  • 뉴턴 노이즈: 지구 중력장의 미세한 변화로 인해 발생하는 노이즈로, 20Hz 미만의 매우 낮은 주파수에서 나타난다.[83][84]
  • 기타 노이즈:
  • 유럽 전력망의 주파수인 50Hz 및 그 고조파 (100, 150, 200Hz)
  • 서스펜션 섬유의 공진 주파수인 300Hz 및 그 고조파 (바이올린 모드)
  • 캘리브레이션 라인 등 특정 주파수에서 나타나는 노이즈[261][262]


이 외에도 악천후, 지진 등으로 인해 일시적으로 노이즈 레벨이 높아질 수 있으며,[84] '글리치'라고 불리는 짧은 인공 신호가 데이터에 나타날 수 있다.[87]

4. 3. 감도

VIRGO 간섭계와 같은 검출기는 감도로 특징지어지는데, 이는 기기가 감지할 수 있는 가장 작은 신호의 크기를 나타내는 성능 지수이다. 감도 값이 작을수록 검출기의 성능이 더 좋다. 감도는 주파수에 따라 달라지는데, 각 노이즈가 고유한 주파수 범위를 가지기 때문이다.[264]

중력파 검출기의 감도를 나타내는 일반적인 척도는 "수평 거리"인데, 이는 질량이 1.4 M영어 (여기서 M영어은 태양질량)인 쌍성 중성자별이 검출기에서 신호대 잡음비 8의 신호를 생성하는 거리로 정의되며, 일반적으로 메가파섹(Mpc)으로 표현된다.[265] 예를 들어, O3 실행 중 Virgo의 범위는 40~50Mpc였다.[190] 이 범위는 단지 지표일 뿐이며, 검출기의 최대 범위를 나타내는 것은 아니다. 더 큰 질량을 가진 소스의 신호는 진폭이 더 크기 때문에 더 멀리서도 감지할 수 있다.[190]

Virgo는 몇 Hz에서 최대 10kHz의 넓은 주파수 범위에서 중력파를 감지할 수 있는 광대역 감지기이다. 수학적으로 감도는 검출기에 의해 기록된 데이터를 사용하여 실시간으로 계산되는 전력 스펙트럼으로 특징지어진다. 2011년의 Virgo 진폭 스펙트럼 밀도(파워 스펙트럼의 제곱근)는 로그-로그 스케일을 사용하여 플롯되었다.

그래프


계산에 따르면 검출기 감도는 대략 \(\frac{1}{L\times\sqrt{P}}\)에 따라 달라지는데, 여기서 \(L\)은 팔의 캐비티 길이이고, \(P\)는 빔 스플리터의 레이저 출력이다. 검출기의 감도를 개선하려면 이 두 가지 양을 늘려야 한다. 이는 긴 팔을 가지고, 신호에 대한 노출을 최대화하기 위해 팔 내부의 광학 공동을 사용하고, 팔의 전력을 증가시키기 위해 전력 재활용을 구현함으로써 달성할 수 있다.[234][266]

감도는 주파수에 따라 달라지며, 일반적으로 잡음 전력 스펙트럼 (또는 진폭 스펙트럼, 즉 전력 스펙트럼의 제곱근)에 해당하는 곡선으로 표시된다. 곡선이 낮을수록 감도가 커진다. VIRGO는 몇 Hz에서 10 kHz까지 감도를 갖는 광대역 탐지기이며, 2011년 VIRGO 감도 곡선은 로그-로그 축척으로 표시되어 있다.[90]

Advanced Virgo 검출기의 감도는 다음과 같이 제한될 것으로 예상된다.[135]

  • 약 10 Hz까지의 낮은 주파수의 지진 노이즈 (지중해의 파도, 바람, 낮 동안의 교통 등 인간 활동 등)
  • 수십 Hz에서 수백 Hz까지의 미러와 그 서스펜션 와이어에서 발생하는 열 노이즈.
  • 수백 Hz를 초과하는 레이저 샷 잡음.

5. 데이터 분석

Virgo 협업은 검출기의 출력을 처리하기 위한 데이터 분석 소프트웨어 개발 및 배포에 중요한 부분을 할애하고 있다. 이러한 데이터 분석은 LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 협력의 일환으로 LIGO 및 KAGRA 협력 구성원과 공유된다.[267]

검출된 이벤트 데이터는 관련 논문 발행 시점에 공개되며, 전체 데이터는 일정 기간(현재 18개월) 후에 공개된다.[268] 세 번째 관찰 실행(O3) 동안에는 실행의 처음 6개월과 마지막 6개월에 각각 해당하는 두 개의 분리된 데이터 릴리스(O3a 및 O3b)가 있었다.[268] 이후 데이터는 (GWOSC) 플랫폼을 통해 모든 사람이 사용할 수 있게 된다.[269][270]

데이터 분석에는 다양한 유형의 소스를 대상으로 하는 여러 기술이 필요하다. 지금까지 감지된 유일한 유형의 소스인 조밀한 물체의 합병 감지 및 분석에 대부분의 노력이 집중되고 있다.

5. 1. 임시 신호 검색

O3 실행 중에는 이벤트 후보를 식별하기 위해 5개의 서로 다른 파이프라인이 사용되었다.[271] 그 중 4개(GstLAL, PyCBC, MBTA, SPIIR)는 소형 이진 합체(CBC, 지금까지 감지된 유일한 유형의 이벤트) 감지에 특화되었고, 다섯 번째(cWB)는 모든 신호를 감지하도록 설계되었다.[271] 이 파이프라인들은 정합 필터링 기술을 사용하여 노이즈 데이터에서 알려진 신호를 찾는다.

짧은 대기 시간 시스템은 중력 현상이 감지될 때 천문학자에게 경고를 생성하도록 설계되었다. 감지된 이벤트의 소스 매개변수와 측정 불확실성을 더 정확하게 추정하기 위해 심층 분석이 수행된다. 전자기 대응물을 찾기 위한 연구도 진행된다.

O3 실행 중에 총 78개의 경고가 전송되었는데, 그 중 23개는 나중에 철회되었다.[271]

5. 2. 연속파 검색

펄사와 같이 빠르게 회전하는 중성자별에 의해 생성되는 것과 같은 주기적 중력파 전용 검색은 일반적으로 연속 파동 검색이라고 한다. 이는 다음과 같이 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

  • 전천 검색: 모든 방향에서 알 수 없는 신호를 찾는다.
  • 직접 검색: 위치는 알지만 주파수는 알 수 없는 물체를 목표로 한다.
  • 대상 검색: 위치와 주파수가 모두 일치하지 않는 소스에서 신호를 찾는다.
  • 목적 검색: 위치와 주파수를 모두 알고 있는 경우에 파원 신호를 탐색한다.


방향성 검색과 대상 검색은 전천후 검색이 계산적으로 매우 비싸고 민감도를 제한하는 트레이드 오프가 필요하다는 사실에 의해 동기 부여된다.[199][201]

연속파 검색의 주요 과제는 신호가 현재 감지된 과도 현상보다 훨씬 약하다는 점이다. 신호 대 잡음비가 관찰 시간의 제곱근에 비례하여 증가하므로, 충분한 데이터를 축적하기 위하여 장시간에 걸쳐서 관측을 하여야 한다.[285]

문제는 오랜 시간 동안 소스의 주파수가 진화하고 태양 주위의 지구 운동이 도플러 효과를 통해 주파수에 영향을 미친다는 것이다. 이는 검색의 계산 비용을 크게 증가시키며 빈도를 알 수 없는 경우 더욱 그렇다. 분석이 전체 데이터가 아닌 데이터의 세그먼트에 대해 개별적으로 수행되는 semi-coherent 검색과 같은 완화 전략이 있지만 이로 인해 민감도가 손실된다.[199] 다른 접근 방식에는 한 쌍의 검출기에서 상관 신호를 찾기 위해 여러 검출기가 있는 것을 활용하는 확률적 파동 검색에서 영감을 얻은 교차 상관이 포함된다.[286]

5. 3. 확률적 중력파 검색

확률적 중력파 배경은 데이터 분석 팀의 또 다른 목표이다. 정의에 따라 감지기에서 노이즈의 원인으로 볼 수 있다. 주요 과제는 노이즈의 다른 소스에서 분리하고 전력 스펙트럼 밀도를 측정하는 것이다. 이 문제를 해결하는 가장 쉬운 방법은 두 탐지기 간의 상관 관계를 찾는 것이다.[287] 중력파 배경과 관련된 노이즈는 두 검출기에서 동일하지만 기기 노이즈는 검출기에서 상관 관계가 없다는 아이디어이다. 또 다른 가능한 접근 방식은 다른 노이즈 소스로 설명되지 않는 초과 전력을 찾는 것이다. 그러나 노이즈가 배경의 예상 전력에 비해 충분히 알려지지 않았기 때문에 이것은 현재 간섭계(Virgo 포함)에 대해 비실용적임이 입증되었다.[287] 검출기 간의 상호 상관에 기반한 검색만 현재 사용 중이다.[288]

이러한 종류의 검색은 감지기 안테나 패턴, 지구의 움직임 및 감지기 사이의 거리와 같은 요인을 고려해야 한다. 배경의 일부 속성에 대해서도 가정해야 한다. 가우스 분포 및 등방성이라고 가정하는 것이 일반적이지만 비등방성, 비가우스 및 보다 이국적인 배경에 대한 검색도 존재한다.[287]

5. 4. 중력파 특성 탐색

중력파를 둘러싼 물리학을 조사하기 위해 많은 소프트웨어가 개발되었다. 이러한 분석은 일반적으로 오프라인(실행 후)에서 수행되며, 종종 다른 검색(현재 대부분 CBC 검색)의 결과에 의존한다.

렌즈 효과로 인해 여러 번 관찰된 이벤트를 찾기 위해 여러 가지 분석이 수행된다. 먼저 알려진 모든 이벤트를 함께 일치시킨 다음, 가장 유망한 이벤트 쌍에 대한 공동 분석을 수행한다. 이러한 분석은 LALInference 및 HANABI 소프트웨어를 사용하여 수행되었다. 기존 CBC 파이프라인을 재사용하여 일반 CBC 검색에서 누락되었을 수 있는 이벤트에 대한 추가 검색도 수행된다.[222]

허블 상수를 추정하기 위해 설계된 소프트웨어도 개발되었다. gwcosmo 파이프라인은 베이지안 분석을 수행하여 은하 카탈로그와 연관될 수 있는 "다크 사이렌"(전자기 대응물이 없는 CBC 이벤트) 및 전자기 대응물이 있는 이벤트를 모두 사용하여 상수의 가능한 값 분포를 결정한다. 중력파로 측정한 거리와 식별된 호스트 은하를 기반으로 직접 추정할 수 있다.[289][290] 이를 위해서는 특정 블랙홀 인구를 가정해야 하며, 이는 상당한 편향의 원인이 될 수 있다. 최근 분석에서는 모집단과 허블 상수를 동시에 피팅하여 이 문제를 피하려고 했다.[291]

6. 과학적 결과

Advanced Virgo 간섭계는 블랙홀 및 중성자별 쌍성 병합, 회전하는 중성자별, 초신성 폭발, 빅뱅으로 인한 중력파 배경 등 우주의 천체 물리학적 파원에서 오는 중력파를 감지하고 연구하는 것을 목표로 한다. 중력파 관측은 허블 매개변수 H_0 측정과 같이 일부 우주 매개변수를 측정하는 새로운 방법을 제공하며, 특히 우주 팽창 속도를 나타내는 이 매개변수의 정확한 값에 대해서는 현재 논쟁 중이다.

중력파를 이용해 H_0를 측정하는 방법은 두 가지가 있다.


  • 중력파 신호로 거리를 측정하고 전자기파로 후퇴 속도를 측정하는 방법
  • 관측된 쌍성 블랙홀 병합의 질량 분포와 H_0 값을 제한하는 통계적 처리 방법


Virgo 간섭계를 이용한 중력 신호의 최초 감지는 두 번째 관측 실행 단계(O2)에서 발생한 GW170814 사건이다. 이 사건은 세 개의 검출기에서 모두 감지된 최초의 사건으로, 위치 파악이 크게 향상되었고 중력파 편광에 대한 측정도 가능하게 했다.[183]

2개의 LIGO 감지기와 전체 네트워크를 사용한 GW170814 사건의 천구상 위치 파악. Virgo를 추가하면 훨씬 더 정확한 위치 파악이 가능하다.


곧이어 발생한 GW170817 사건은 중력파 네트워크에 의해 감지된 최초의 중성자별 합병이며, 전자기파 관측과 함께 다중 신호 천문학의 새 시대를 열었다. Virgo에서는 신호가 관찰되지 않았지만, 이 신호의 부재는 이벤트 파악에 더욱 엄격한 제약을 가하는 데 결정적이었다.[185] 이 사건은 천문학계에 큰 영향을 미쳤으며, 중성자별 병합에 대한 이해를 개선하고 중력 속도에 매우 엄격한 제약을 가했다.[294]

Virgo는 LIGO와 함께 중력파 배경에 대한 최신 검색에 포함되어, 배경 에너지에 대한 제약 조건을 개선했다.[301] 허블 상수에 대한 제약 조건도 얻었지만, 정확한 값에 대한 불일치를 해결할 만큼 정확하지는 않다.[302]

7. 지원 활동

Virgo 협업은 일반 대중을 대상으로 중력파에 대한 커뮤니케이션 및 교육을 지원하는 여러 활동을 하고 있다.[303] 이러한 활동에는 다음이 포함된다.


  • 다수의 과학 축제 참가[304][305][306]
  • 학교 수업을 포함한 Virgo 활동에 대한 공개 강의 및 과정[303]
  • 피사의 Museo della Grafica에서의 "The Rhythm of Space"[307] 또는 팔레 드 토쿄의 "On Air" 등과 같은 예술 전시회 참여[308]
  • 학교, 대학 및 일반 대중을 위한 Virgo 시설 조직된 가이드 투어[309]
  • 과학에서 양성 평등을 촉진하는 활동 참여[310]

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