중력파 검출기
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1. 개요
중력파 검출기는 중력파를 감지하는 장치로, 중력파는 시공간의 뒤틀림으로 인해 발생하는 파동이다. 중력파 검출은 매우 작은 파동의 영향을 측정해야 하므로 어려움이 있으며, 초기에는 금속 덩어리의 공진 주파수를 이용하는 공진형 검출기가 사용되었다. 이후 레이저 간섭계를 이용하는 간섭계형 검출기가 개발되어 현재 주류를 이루며, 지상 기반 및 우주 기반 간섭계가 존재한다. 이 외에도 펄서 타이밍 배열, 우주 마이크로파 배경 편광, 기타 다양한 검출 방식이 연구되고 있다.
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| 중력파 검출기 | |
|---|---|
| 중력파 천문대 | |
 | |
| 종류 | 중력파 |
| 파장 | 중력파 스펙트럼에 따라 다름 |
| 세부 사항 | |
| 탐지 방법 | 레이저 간섭계 원자 간섭계 공간 안테나 중력 공명 안테나 |
| 현재 작동 중인 관측소 | |
| LIGO | 핸포드, 워싱턴 (LIGO 핸포드) 리빙스턴, 루이지애나 (LIGO 리빙스턴) |
| Virgo | 피사, 이탈리아 |
| KAGRA | 히다, 기후, 일본 |
| 제안된 관측소 | |
| 아인슈타인 망원경 | 유럽 |
| 레이저 간섭 공간 안테나 (LISA) | 우주 기반 |
| 텐크로스 | 호주 |
| 코스믹 익스플로러 | 미국 |
2. 중력파 검출의 어려움
중력파의 직접 검출은 검출기에 파동이 미치는 영향이 극도로 작기 때문에 복잡하다. 쌍성 블랙홀 병합과 같은 극단적인 시스템에서 발생하는 파동조차도 지구에 도달할 때는 매우 작은 진폭으로 줄어든다. 천체물리학자들은 지구를 통과하는 일부 중력파가 라이고(LIGO)-크기의 기기에서 약 10E 정도의 미소한 운동 차이를 발생시킬 수 있을 것이라고 예측했다.[2]
공진형 검출기는 외부 진동으로부터 차폐된 큰 금속 덩어리로 구성된 장치로, 중력파를 감지하는 간단한 방법이다. 최초의 중력파 검출기가 이러한 유형이었다. 입사된 중력파로 인한 공간의 변형은 물체의 공진 주파수를 자극하여 검출 가능한 수준까지 진동을 증폭시킬 수 있다. 근처에서 발생하는 초신성은 공진 증폭 없이도 관측될 만큼 강력할 수 있다. 그러나 2018년까지 연구자들이 안테나를 작동시키면서 관측했다는 일부 주장에도 불구하고, 연구 공동체에서 널리 받아들여질 만한 중력파 관측 결과는 어떤 유형의 공진 질량 안테나에서도 나오지 않았다.
3. 공진형 검출기
건설된 공진형 검출기에는 상온 막대 안테나, 극저온 냉각 막대 안테나, 극저온 냉각 구형 안테나의 세 가지 유형이 있다.
3. 1. 웹버 바 (1세대)
1960년대에 조지프 웨버가 개발한 최초의 중력파 검출기이다.[3] 1960년대와 1970년대에 주류를 이룬 웹버 막대는 상온에서 작동하는 막대형 안테나였으며, 전 세계적으로 다수가 건설되었다. 1960년대 후반과 1970년대 초반, 웨버를 비롯한 일부 연구자들은 이 장치로 중력파를 검출했다고 주장했다.[3] 그러나 다른 실험에서는 중력파 검출에 실패했고, 결국 웹버 막대는 실용적인 중력파 검출 수단이 아니라는 의견이 지배적이 되었다.[3]
3. 2. 극저온 막대형 안테나 (2세대)
1980년대와 1990년대에 개발된 2세대 공진 질량 안테나는 극저온 막대 안테나였다. 이 안테나는 열 잡음을 줄이기 위해 극저온으로 냉각되었으며, 미세한 진동을 측정하기 위해 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)를 사용했다.(예: ALLEGRO[4])
1990년대에는 AURIGA(이탈리아 파두아), NAUTILUS(이탈리아 로마), EXPLORER(스위스 CERN), ALLEGRO(미국 루이지애나), NIOBE(호주 퍼스) 등 5개의 주요 극저온 막대 안테나가 있었다. 1997년, 이 5개의 안테나를 운영하는 4개의 연구 그룹은 협력을 위해 국제 중력파 이벤트 협업(IGEC)을 구성했다.[3] 배경 신호에서 설명할 수 없는 편차가 여러 차례 있었지만, 이러한 검출기를 사용하여 중력파 관측이 확인된 경우는 없었다.
1980년대에는 ALTAIR라는 극저온 막대 안테나도 있었는데, 이는 GEOGRAV라는 상온 막대 안테나와 함께 이탈리아에서 이후 막대 안테나의 시제품으로 제작되었다. GEOGRAV 검출기 운영자들은 초신성 SN1987A에서 온 중력파를 관측했다고 주장했지만(또 다른 상온 막대 안테나와 함께), 이러한 주장은 더 넓은 공동체에서 받아들여지지 않았다.
일부 극저온 막대형 안테나는 간섭계 안테나가 천체물리학적 감도에 도달하기 시작한 후에도 계속 작동했다. 예를 들어 이탈리아의 INFN에 기반을 둔 초극저온 공진 원통형 막대 중력파 검출기인 AURIGA가 있다. AURIGA와 LIGO팀은 공동 관측으로 협력했다.[4]
2세대 극저온 막대형 안테나는 다음과 같다.[39]3. 3. 구형 극저온 안테나 (3세대)
2000년대에 개발된 3세대 공진형 검출기이다. 구형 공진체를 사용하여 모든 방향의 중력파에 대한 감도를 높였다. 2000년경에 4개의 구형 안테나가 제안되었고, 그중 2개는 축소된 버전으로 제작되었으며 나머지는 취소되었다. 제안된 안테나는 GRAIL(네덜란드, MiniGRAIL로 축소됨), TIGA(미국, 소형 시제품 제작), SFERA(이탈리아), Graviton(브라질, Mario Schenberg로 축소됨)이었다.[5]
MiniGRAIL과 Mario Schenberg는 설계가 유사하며 공동 노력으로 운영된다. MiniGRAIL은 라이덴 대학교에 있으며, 정밀하게 가공된 1150kg 구체가 20mK까지 극저온 냉각된다.[5] 구형 구성은 모든 방향에서 동일한 감도를 허용하며, 높은 진공이 필요한 더 큰 선형 장치보다 실험적으로 다소 간단하다. 사건은 검출기 구의 변형을 측정하여 감지된다. MiniGRAIL은 2~4kHz 범위에서 매우 민감하여 회전 중성자별 불안정성이나 작은 블랙홀 합병으로부터 오는 중력파를 감지하는 데 적합하다.[6]
현재 극저온 공명 질량 검출기는 극도로 강력한(따라서 매우 드문) 중력파만 감지할 수 있을 만큼 민감하지 않다는 것이 현재의 일반적인 의견이다. 2020년 현재 극저온 공명 안테나에 의한 중력파 검출은 발생하지 않았다.
4. 간섭계형 검출기
현재 주류를 이루는 중력파 검출 방식은 레이저 간섭계를 이용하는 것이다. 이 방식은 두 개의 분리된 질량 사이의 거리를 정밀하게 측정한다. 중력파가 통과하면 이 거리의 미세한 변화가 발생하고, 이것이 간섭계를 통해 검출된다.[2]
중력파 검출기는 간섭계형과 공진형으로 나뉜다. 간섭계형은 레이저 광을 사용하는 마이켈슨 간섭계를 사용하며, 기선 길이가 검출 감도에 영향을 미친다. 광로는 진공 상태로 유지된다. 공진형은 웹버 바처럼 추정되는 중력파의 주파수와 공진하는 고유 진동수를 갖는 공진체를 사용한다.
2016년 2월, 라이고(LIGO) 그룹은 블랙홀 쌍성에서 온 중력파를 처음으로 포착하는 데 성공했다고 발표했다. 그러나 레이저 간섭계 측정만으로는 중력파의 발생 위치를 특정하기 어렵다. 최소 3대 이상의 간섭계가 동시에 관측해야 도달 시간 차이를 통해 발생 천체의 방향을 알 수 있다.[44]
LISA 및 DECIGO와 같은 우주 기반 간섭계도 개발 중이다. LISA는 세 개의 시험 질량이 정삼각형을 형성하고 각 우주선에서 다른 우주선으로 레이저를 형성하여 두 개의 독립적인 간섭계를 구성한다. LISA는 지구를 따라가는 태양 궤도를 차지할 계획이며, 삼각형의 각 팔은 500만 킬로미터이다. 이는 검출기를 지상 기반 노이즈 소스에서 멀리 떨어진 우수한 진공에 배치하지만, 여전히 샷 잡음과 우주선 및 태양풍에 의한 인공물에 취약하다.
4. 1. 지상 기반 간섭계
더 민감한 검출기는 레이저 간섭계를 사용하여 분리된 '자유' 질량 사이의 중력파 유도 운동을 측정한다.[7] 이를 통해 질량을 먼 거리로 분리할 수 있다(신호 크기 증가). 또 다른 장점은 공진 근처의 주파수(베버 바의 경우와 같이)가 아닌 광범위한 주파수에 민감하다는 것이다.현재 가장 민감한 지상 기반 레이저 간섭계는 LIGO이다. LIGO는 2015년 최초로 확인된 중력파 검출의 장소로 유명하다. LIGO에는 두 개의 검출기가 있는데, 하나는 루이지애나주 리빙스턴에, 다른 하나는 워싱턴주 리치랜드의 한포드 부지에 있다. 각각은 길이 4km인 두 개의 광 저장 암으로 구성되며, 이들은 서로 90도 각도를 이룬다. 빛은 전체 4km에 걸쳐 1m 직경의 진공관을 통과한다.
이렇게 긴 팔을 사용하더라도 가장 강력한 중력파는 팔 끝 사이의 거리를 최대 약 10−18미터만 변경한다. 라이고는 만큼 작은 중력파를 감지할 수 있어야 한다. 비르고, GEO600, 타마 300과 같은 라이고 및 기타 검출기의 업그레이드는 감도를 더욱 높일 것이며, 차세대 장비(Advanced LIGO Plus 및 Advanced Virgo Plus)는 더욱 민감할 것이다. 또 다른 고감도 간섭계(KAGRA)가 2020년에 가동을 시작했다.[8][9] 감도가 10배 증가하면 장비에서 접근할 수 있는 공간의 부피가 1,000배 증가한다. 이렇게 하면 수십 년의 관측에서 1회의 검출 가능한 신호율이 연간 수십 회로 증가한다.
간섭계 검출기는 샷 잡음에 의해 고주파수에서 제한된다. 샷 잡음은 레이저가 광자를 무작위로 생성하기 때문에 발생한다. 또한, 충분히 높은 레이저 출력의 경우, 레이저 광자에 의해 시험 질량으로 전달되는 무작위 운동량이 거울을 흔들어 저주파수에서 신호를 가린다. 열잡음은 감도의 또 다른 한계이다. 이러한 노이즈 외에도 모든 지상 기반 검출기는 지진 잡음 및 기타 형태의 환경 진동과 같은 저주파수에서 제한되며, 기타 노이즈도 있다. 기계 구조물의 삐걱거림, 번개 또는 기타 대규모 전기적 방해 등은 이벤트를 가리는 노이즈를 생성하거나 이벤트를 모방할 수도 있다.
간섭계 중력파 검출기는 사용된 기술에 따라 세대로 나뉘는 경우가 많다.[40][41]
주요 지상 기반 간섭계는 다음과 같다.
- KAGRA(일본) - 기후현의 히다 광산 내에 있는 레이저 간섭계. 기선 길이는 3000m이다.[45]
- TAMA300(일본) - 국립천문대에 있던 레이저 간섭계. 기선 길이는 300m이다.
- CLIO(일본) - 도쿄대학 우주선연구소 등이 공동으로 운영하는 레이저 간섭계 중력파 안테나와 지각 변형계.
- GEO600(영국·독일) - 독일 하노버에 있는 레이저 간섭계. 기선 길이는 600m이다.
- LIGO(캘리포니아 공과대학교·매사추세츠 공과대학교) - 미국 워싱턴주 핸포드와 루이지애나주 리빙스턴에 설치된 레이저 간섭계. 기선 길이는 4km이다.
- Virgo(프랑스·이탈리아) - 이탈리아 피사에 설치된 레이저 간섭계. 기선 길이는 3km이다.
4. 2. 우주 기반 간섭계
유럽우주국(ESA)이 주도하여 개발 중인 우주 중력파 망원경(LISA)은 우주 기반 중력파 검출기이다. 일본에서는 DECIGO라는 우주 기반 중력파 검출기를 제안했다. 중국에서도 Taiji와 TianQin이라는 우주 기반 중력파 검출기 프로젝트를 제안했다. 이러한 우주 기반 간섭계들은 지상에서 발생하는 잡음원의 영향을 받지 않기 때문에 더 낮은 주파수의 중력파를 검출할 수 있다는 장점이 있다.5. 펄서 타이밍 배열
펄서 타이밍 배열(pulsar timing array)은 밀리초 펄서(millisecond pulsar)에서 나오는 신호에 중력파가 미치는 영향을 관찰하여 중력파를 검출하는 방법이다.[14] 중력파가 지구를 통과하면 공간이 한 방향으로 수축하고 다른 방향으로 팽창하면서, 해당 방향에서 오는 펄서 신호의 도착 시간이 변화한다. 하늘 전체에 걸쳐 고정된 펄서 집합을 연구함으로써, 이러한 배열은 나노헤르츠 범위의 중력파를 검출할 수 있다. 이러한 신호는 초대질량 블랙홀(supermassive black hole) 쌍의 병합으로 인해 방출될 것으로 예상된다.[14]
유럽 펄서 타이밍 배열(European Pulsar Timing Array, EPTA),[11] 북미 나노헤르츠 중력파 관측소(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav),[12] 파크스 펄서 타이밍 배열(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)[13] 등이 이 방법을 사용한다. 2023년 6월, 이 세 팀을 포함한 네 개의 펄서 시계열 배열 공동 연구팀은 나노헤르츠 중력파의 확률적 배경(stochastic background)에 대한 독립적이지만 유사한 증거를 제시했다.[15][16][17][18]
다음은 펄서 타이밍 배열 연구팀 목록이다.
| 연구팀 | 결성 연도 |
|---|---|
| 파크스 펄서 시계열 배열(Parkes Pulsar Timing Array) | 2005 |
| 유럽 펄서 시계열 배열(European Pulsar Timing Array) | 2009 |
| 북미 나노헤르츠 중력파 관측소(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav) | 2010 |
| 국제 펄서 시계열 배열(International Pulsar Timing Array) | 2016 |
| 인도 펄서 시계열 배열 실험(Indian Pulsar Timing Array Experiment, InPTA) | 2016 |
| 중국 펄서 시계열 배열(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA) | (결성 연도 미상) |
| MeerKAT 펄서 시계열 배열(MeerTime) | (결성 연도 미상) |
6. 우주 마이크로파 배경(CMB) 편광
우주 마이크로파 배경은 우주가 충분히 식어 최초의 원자들이 형성될 수 있을 만큼 온도가 낮아졌을 때 남은 복사로, 초기 우주의 중력파 흔적을 포함하고 있을 수 있다. 마이크로파 복사는 편광되어 있으며, 편광 패턴은 ''E'' 모드와 ''B'' 모드 두 종류로 나눌 수 있다. 이는 전기장(''E''-장)은 회전(curl)이 0이고 자기장(''B''-장)은 발산(divergence)이 0인 정전기학과 유사하다. ''E'' 모드는 다양한 과정에 의해 생성될 수 있지만, ''B'' 모드는 중력 렌즈, 중력파, 또는 먼지에 의한 산란에 의해서만 생성될 수 있다.
2014년 3월 17일, 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 천문학자들은 우주 마이크로파 배경에서 중력파의 흔적을 발견했다고 발표했는데, 이것이 확인된다면 인플레이션과 빅뱅에 대한 강력한 증거가 될 것이다.[19][20][21][22] 그러나 2014년 6월 19일, 이러한 발견을 확인하는 데 대한 신뢰도가 낮아졌다고 보고되었고;[23][24][25] 2014년 9월 19일에는 더욱 신뢰도가 낮아졌다.[26][27] 2015년 1월 30일, 유럽우주국은 이 신호가 은하수의 먼지에 의한 것으로 완전히 설명될 수 있다고 발표했다.[28]
7. 기타 중력파 검출 방식
부유 센서 검출기는 10 kHz~300 kHz 주파수의 중력파(잠재적으로 원시 블랙홀에서 발생)를 검출하기 위해 제안된 장치이다.[29] 이 검출기는 광학 공동 내에서 광학적으로 부유하는 유전체 입자를 사용한다.[30]
비틀림 막대 안테나(TOBA)는 두 개의 길고 얇은 막대를 십자 모양으로 비틀림 진자처럼 매달아 놓은 구조로, 막대들의 차동 각도를 통해 기조력 중력파를 감지하는 방식이다.
물질파(원자 간섭계)를 이용한 검출기 또한 제안되어 개발 중이다.[31][32] 2000년대 초부터 관련 제안이 있었으며,[33] 원자 간섭계는 초저주파 대역(10 mHz~10 Hz)에서 검출 대역폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.[34][35] 이 대역은 현재 지상 기반 검출기가 저주파 중력 잡음에 의해 제한을 받는 영역이다.[36] "물질파 레이저 기반 간섭계 중력 안테나"(MIGA)라는 시험 프로젝트는 2018년 프랑스 루스트렐의 지하 환경(LSBB)에서 건설이 시작되었다.[37]
8. 중력파 검출기 목록
중력파 검출기는 크게 공명 질량 안테나와 레이저 간섭계의 두 가지 유형으로 나뉜다.
공명 질량 안테나초기 중력파 검출기는 공명 질량 안테나였다. 이 방식은 외부 진동으로부터 차폐된 큰 금속 덩어리를 사용하며, 입사 중력파로 인한 공간의 변형이 물체의 공진 주파수를 자극하여 검출한다.
- 종류:
- 상온 막대 안테나 (예: 웹버 막대): 1960~70년대에 주로 사용되었으나, 다른 실험에서 중력파 검출에 실패하면서 실용성이 없다는 의견이 지배적이다.[3]
- 극저온 막대 안테나 (예: AURIGA(이탈리아), NAUTILUS(이탈리아), EXPLORER(스위스), ALLEGRO(미국), NIOBE(호주)): 1980~90년대에 개발되었으며, 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)를 사용하여 진동을 감지했다.
- 극저온 구형 안테나 (예: MiniGRAIL(네덜란드), Mario Schenberg(브라질)): 2000년대에 등장했으며, 모든 방향에서 동일한 감도를 가진다.
- 한계: 극도로 강력한 중력파만 감지할 수 있을 정도로 민감도가 낮다. 2020년 현재 극저온 공명 안테나를 통한 중력파 검출은 없었다.
레이저 간섭계더 민감한 검출기는 레이저 간섭계를 사용하여 분리된 질량 사이의 중력파 유도 운동을 측정한다.
- 원리: 분리된 질량 사이의 거리를 멀리 떨어뜨릴 수 있어 신호 크기가 커지고, 광범위한 주파수에 민감하다.
- 주요 시설:
- 라이고(LIGO): 2015년 최초로 중력파를 검출한 곳으로, 미국 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 리치랜드의 한포드 부지에 두 개의 검출기가 있다. 각 검출기는 4km 길이의 광 저장 암으로 구성되어 있다.
- 비르고(Virgo): 이탈리아에 위치. 기선 길이는 3km이다.
- GEO600: 독일 하노버에 위치. 기선 길이는 600m이다.
- 타마 300(TAMA 300): 일본에 위치. 기선 길이는 300m이다.
- KAGRA: 일본에 위치, 2020년 가동 시작.[8][9] 기선 길이는 3000m이다.[45]
- CLIO: 일본 도쿄대학 우주선연구소 등이 공동 운영.
- 한계: 샷 잡음(레이저 광자 생성의 무작위성), 열잡음, 지진 잡음 등 다양한 요인에 의해 제한된다.
세대별 분류간섭계 중력파 검출기는 사용 기술에 따라 세대로 분류된다.
우주 기반 검출기LISA, DECIGO, 타이지(중력파 관측소)(Taiji (gravitational wave observatory)), 톈친(TianQin) 등 우주 기반 간섭계도 개발 중이다.
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The Twelfth Marcel Grossmann Meeting
WORLD SCIENTIFIC
2012-02
[42]
웹사이트
GEO High Frequency and Squeezing
http://www.geo600.or[...]
2019-09-18
[43]
뉴스
India's LIGO Detector Has the Money it Needs, a Site in Sight, and a Completion Date Too
http://thewire.in/26[...]
2016-06-16
[44]
간행물
重力波をとらえよ! 重力波望遠鏡「かぐら」の建設が本格化
株式会社ニュートンプレス
[45]
웹사이트
공식사이트
https://www.icrr.u-t[...]
[46]
웹인용
Scientists have two ways to spot gravitational waves. Here are some other ideas
https://www.sciencen[...]
2023-09-15
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