제 4 부. 전 세계의 중력파 관측소

이제 전세계적으로 벌어지는 일들에 대해 알아보죠. LIGO, Virgo는 대략 100~1000Hz근방의 중력파를 검출하는데 최적화 되어 있어요. 그런데 이렇더라도 볼수 있는 중력파원은 중성자별 쌍성계 정도 일부입니다. 때문에 이 지상기반 레이저 간섭계들은 좀더 낮은 민감도를 가지려고 노력합니다. 그 후속이 aLIGO, aVirgo, KAGRA, LIGO-India에요. 이중 KAGRA(카그라)라는 검출기 부터 알아보죠.

1) 일본의 야심찬 도전 : 카그라 중력파 검출기

일본은 상당히 오래전 2000년대 초반부터 독자적인 레이저 간섭계 연구를 시작했어요. 미국정도의 진척도 수준은 아니지만 (미국이 워낙 주도하다 보니) 일본은 꾸준히 해왔어요. 그때 이미 타마300 (TAMA 300)이라는 팔길이 300m짜리 레이저 간섭계를 만들어 실험, 테스트를 했고, 그 이후 "클리오(CLIO: Cryogenic Laser Interferometer Observatory)"라는 극저온 냉각기술을 이용한 차기 버전의 간섭계 실험도 마쳤지요. 그리고, 실제적 검출에 참여하기위한 차세대 버전으로 만들고 있는것이 카그라 입니다. 이 검출기는 라이고, 버고와 달리 첨단 기술과 아이디어를 총동원해서 진행하고 있는데 두가지 큰 특징적인게 있습니다.

    • 지하에 건설한다.
    • 극저온 (Cryogenic)기술을 이용한다.

1번을 위해서 뉴트리노 검출기인 "슈퍼카미오칸데(SuperKamiokande)"로 유명한 카미오카 광산의 지하 1km부근을 양팔 3km씩 터널을 뚫어 짓게 됩니다. 지하로 들어가면 진동잡음에 매우 조용한 환경이 되기 때문에 왼쪽의 진동잡음의 벽을 조금 완화할수 있죠.

카미오카 광산의 카그라 검출기 모식도

2번을 위해서 극저온 냉각기술로 코팅 거울들을 냉각하여 레이저가 받는 열, 산탄잡음을 줄이고자 하는 것이죠. 라이고, 버고에서 이 두가지가 채택이 안된건 두가지가 워낙 돈이 많이 들기 때문입니다. 주택을 지을때 지하를 파면 건설비 두배가 드는 이치 되겠습니다. 그리고 극저온을 위한 극저온 헬륨이 단가가 워낙 비싸고 소모품이라 마찬가지 비용이 너무 많이 들죠. 2014년 3월을 기점으로 양쪽 터널 (x, y-팔)을 뚫는게 완성이되었습니다.

이 카그라 검출기는 가동이 시작되는 2020년경에 aLIGO, aVirgo와 더불어 지구상의 유력한 레이저 간섭계 네트워크를 구성하게 됩니다. 실제 지난 후쿠시마 지진때 위험했으나, 카그라 검출기는 문제는 없었고, 실제 도쿄 근방으로 옮겨 실험하던 클리오 검출기가 손상을 입었다네요. 지질이 안정되지 않은 일본이 이런 거대시설을 계속 투자하고 있다는게 아이러니칼 하죠. 노벨상의 저력이 이런데서 나옵니다.

2) LISA (eLISA) 프로젝트

우여곡절이 많은 프로젝트지만, 설계자체가 매우 야심만만한 정말 실현될까 하는 프로젝트에요.

그림을 보고 감이 오시나요? 쩨쩨하게 땅이 뭐냐? 우주로 가자!

나사(NASA, 미항공우주국)과 유럽우주국(ESA, European Space Agency)이 동시에 합작으로 추진하던 LISA (Laser Interferometer Space Antenna, 레이저 간섭 우주 안테나)프로젝트가 , 나사가 불참/중단을 선언하면서 유럽의 단독 추진으로 옮겨갔고, 아직 추진중입니다. 개념설계를 넘어서 현재 길잡이위성(pathfinder)을 먼저 올려 실험검증을 하려고 하는 단계에요. 원리는 원형 위성을 세계를 쏘아 올립니다. 그리고 정확하게 정 삼각형이 우주공간에서 레이저 빛이 되도록 정렬을 시킵니다. 각 위성의 거리는 5백만 km. 이 사이를 중력파가 쓸고 지나가면 라이고와 같은 원리로 검출이 된다는 겁니다. 이 위성은 정지가 아니고 지구와 같이 태양을 공전합니다. 저 모양과 정렬을 유지한채 태양을 공전하는 기술 쉽지 않은데 된다고 돈을 받아내고 있는 프로젝트죠.

유럽으로 단독이관 되면서 규모가 축소되었고, 실현논란때문에 일단 유럽우주국에서 길잡이 위성 검증부터 하고 성공하면 돈을 더 주겠다는 입장입니다. NASA 가 빠진 이유는 미국내 중력파 관련 대형프로젝트가 이미 있는데다, 나사의 미션이 천문학적 미션이 강해서 일각에서는 "제임스 웹 망원경"이라는 거대 우주망원경에 집중하기 위해 중단했다고 합니다. 그리고 나사의 원래 더 큰 미션이 "외계행성 탐사"라는데 큰 투자를 하고 있고요. 맨 윗 그림에서 보시면 아시겠지만, 라이고, 버고, 카그라와는 완전 다른 중력파원을 탐색하는게 목적입니다. 중력파 진동수가 약 수 밀리 헤르츠(hz)인 천체가 목표입니다.

3) 아인슈타인 망원경 (Einstein Telescope: ET)

유럽이 미국에 어느정도 주도권을 빼앗긴 것이 사실입니다. (버고는 라이고를 따라가고 있는 중) 때문에 새로운 개념의 지상기반 검출기를 계획하고 있는데 그것이 아인슈타인 망원경(ET)입니다. 이 기본 구조는 리사의 개념과 비슷합니다. L자의 간섭계가 아닌 삼각형모양의 간섭계를 땅 속에다 심는 겁니다.

지구에 있기에 진동잡음 벽은 어쩔수 없지만, 민감도를 훨씬 낮출수 있어서. 아마 지상기반 검출기로서는 가장 민감한 것이고 목표 중력파원역시 더 많은 중성자별 쌍성계들을 포함한 광범위한 영역을 찾게 됩니다. (1~10000Hz) 땅 밑으로 100~200m를 내려가고, 열잡음을 줄이기위해 극저온 기술도 사용됩니다. 현재 개념설계 단계이고 아직 정식 돈은 지원받지 못하지만, 대략적인 건설시점은 2025년경입니다.

4) 데시고(DECIGO:DECi-hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory)

데시고는 일본이 추진하는 우주중력파관측소입니다. 일본의 저력. 대단합니다.

기본구조는 리사랑 비슷하죠. 이런걸 올려서 태양주위를 돌게한다는 겁니다. 데시고는 리사가 검출 못하는 0.1~10Hz의 더 저주파 대역을 탐사하도록 설계됩니다. 특히 빅뱅직후 방출된 중력파 검출이 목표이고 이 길잡이 위성이 현재 2015년 예정으로만 되어 있습니다. 실제 가동 목표는 2020년대 후반이죠.

5) Pulsar Timing Array (PTA)

펄사 타이밍 어레이는 기존의 장치들을 삐까하게 만들어 중력파를 검출하는 장치가 아닌 순수하게 천문학적 대상을 오랜기간 관측한 그 누적효과로 중력파를 검증하는 방법입니다.

그림처럼 지구에서 잘 알려진 안정된 펄사들이 맥동하는 주기를 누적해서 관측합니다. 만약 중력파의 효과가 있다면 그림처럼 그 오차효과가 생겨나겠지요. 이를 위해서는 펄사관측을 위한 전파망원경(혹은 이 어레이)가 필요하기만 하면 됩니다. 현재 이 감도는 아주 형편없고 확률이 낮으나, 10여년, 20여년 데이터의 누적이 많아질수록 오히려 레이저 간섭계보다 감도가 좋아진다고 하지요. 목표 진동수는 대략 10−9 ~ 10−6 Hertz의 저주파대 진동수를 가진 천체들입니다.

6) Square Kilometre Array (SKA)

인류가 현재 추진하고 있는 가장 거대한 프로젝트의 하나가 바로 SKA이죠. 이건 천문학으로 더 관심이 가는 프로젝트고, 이 미션중 중력파의 일부 미션이 포함된거라 중력파만을 위한 건 아닙니다. 사진처럼 전파망원경을 미친듯이 뿌려놓고 우주로 부터 오는 모든 신호를 다 받아서 우리가 원하는 정보는 알아서 찾아보겠다. 이런겁니다. 하루에 들어오는 데이터 량이 수백 테라급이고. 이걸 분석하기위한 컴퓨터 용량도 무지막지하게 들어가지요. 중력파의 미션은 주로 빅뱅에 의한 우주중력파배경복사정도가 됩니다. 현재 호주/남아공이 나누어 추진하고 있고, 아직 가동되기에 먼먼 미래의 프로젝트 입니다.

7) 기타 다른 차세대 중력파 검출기

현재 라이고 외의 다른 주파수 영역대를 탐색하기위핸 새로운 개념의 제안들이 시작되고 있습니다. 차세대 중력파 검출기라 불리는 것이죠. 기존 레이저 간섭계에서 벗어나고자 하는 것들입니다. 기존 검출기가 길이의 변화를 감지하여 측정하는 것이라면, 새로이 시도되는 것들은 진동수를 측정하는 방식들이 있습니다. 이들은 꼭 라이고 처럼 거대하지도 않고, 지상에 있으면서도 저주파대를 탐구할수 있다고 주장하기에. 새로운 형태의 물리학을 열게 될수도 있겠죠.

8) 중력파 검출기의 목표 천체들

이 중력파 검출기들이 목표로 하는 천체현상들은 이미 라이고, 버고의 영역 이외의 지역이 풍부하게 존재합니다. SKA, PTA등은 우주배경 중력파원. LISA DECIGO등은 질량이 큰 블랙홀이나, 백색왜성 쌍성계등. 그리고 aLIGO, aVirgo, KAGRA, ET등은 더 많은 중성자별, 블랙홀 쌍성계와 초신성, 감마선 폭발등이 관측 대상이 됩니다.

Back to remind
Continue reading