Overview

Gravitational Wave Detection
중력파 검출기

LIGO=Laser Interferometric Gravitational-wave Observatory로서 기본적으로 마이켈슨의 간섭계의 원리를 이용하여 중력파의 신호를 검출하는 장비이다. 이 중력파는 아인슈타인 일반상대성이론에서 예측되는 질량을 가진 물질이 가속을 받을때 발생하는 파동으로 시공간을 약하게 그리고 상당히 멀리까지 빛속도로 전파된다. 이론적 예측이후 간접적인 검출은 Taylor-Hulse Pulsar라고 불리우는 쌍성계가 1975년 발견되었고 이 쌍성계에 대한 30년간의 관측 (Arecibo 천문대)을 통해 이론과 거의 정확하게 일치함을 보였다. 이는 쌍성계에서 발생하는 중력파로서 두 별은 에너지를 잃게 되고 따라서 둘의 공전주기가 감소하여 거리가 가까워 지게 됨을 보인 것이다. 이는 중력파의 존재의 간접적인 증거로서 1993년 노벨상이 수여되었다. 직접적인 검출의 노력은 조셉웨버(Joseph Weber, U. of Maryland)의 선구자적인 노력(Bar detector)이후 1990년대에 들어서면서 마이켈슨 레이저 간섭계를 이용한 제안이 이루어졌고, 미국을 위시하여 본격적인 중력파 검출기 건설이 시작되었다. 그후 미국의 2곳 Livingston (루이지애나주), Hanford (워싱턴주)에 길이 4km짜리 간섭계가 건설되어 현재까지 6번째의 과학실험을 수행하고 있다.

중력파의 근원

중력파는 어디에서나 발생한다. 즉, 질량을 가진 물질이 가속하면서 발생하기 때문에 우리가 팔을 휘두르거나, 자동차가 움질일때에도 발생한다. 그러나 중력파는 그 파동이 매우 약하기 때문에 그정도의 질량에서 발생하는 신호는 우리는 전혀 느끼지 못하지만 이 신호를 감지하기 위한 천체현상들은 언제라도 일어날 수 있다. 질량이 큰 중성자별 쌍성계나, 블랙홀과 같은 고밀도-고중력의 천체들의 충돌,은 감마선폭발, 또는 우주초기의 빅뱅을 통한 시공간의 흔들림이 중력파로 전파된다면 이는 지구상의 검출기로는 충분히 검출가능한 강도가 된다. 그렇다고 하더라도 그 세기는 10-21정도의 미약한 신호이고 매우 어려운 과학과 기술의 집약이 있어야 한다.

현재 가장 가능성있는 천체신호는 쌍성계로 부터 오는 중력파 신호이다. 쌍성계 (Compact Binary Objects)들은 서로 두 별이 회전운동을 하면서 에너지를 잃고 가까워지면서 결국은 하나의 별로 합성이 이루어지게 되는데 이때 내는 중력파의 파형은 이론적으로 잘 알려져 있다. 천문학적 관측으로도 몇개의 알려진 펄서 후보군들 그리고 다른 은하단의 발견되리라 예상되는 후보군으로 부터 이 신호의 검출이 기대된다. 그외에 하나의 중성자별이 회전을 하게되면 이 별이 이그러지게 되고 타원형, 혹은 막대형의 불안정성을 띄게 되는데 이때에도 중력파가 발생한다. 또한 별의 진화과정에서 생겨나는 초신성폭발, 감마선폭발과 같은 천체현상에서 역시 중력파가 발생하게 된다.마지막으로 빅뱅과 같은 (빅뱅이론 이 맞다면) 우주초기의 거대한 사건은 필연적으로 상당한 양의 중력파를 발생시켰을 것이고 이는 우주 전역에 중력파 배경으로 존재할 것이다. 현재의 전파망원경 수준으로는 핵합성시기 이전의 우주는 관측할수 없기 때문에 이 빅뱅의 신호를 잡는 유일한 매개수단은 중력파 밖에는 없다.

중력파 검출기의 원리와 신호 분석

LIGO는 마이켈슨의 원리를 이용한 레이저 검출기이다. 레이저 빛을 쏘아 빔스플리터를 통해 양쪽 팔 (4km)로 나누어 보낸뒤 팔 끝에 달린 거울의 테스트질량을 반사되어 돌아오는 빛을 다시 모아 photo detector에 나타난 간섭무늬를 통해 관찰한다. 만약 중력파가 지나갔다면 중력파는 양팔의 길이를 다르게 수축 혹은 확장시킨다. 이때 레이저가 갔다가 오는 두 팔에서 모인빛은 경로차가 생기게 되므로 합쳐진 빛은 물결무늬의 간섭무늬를 띄게 되고 이를 통해 우리는 중력파 신호가 있었음을 감지하게 된다. 그러나 이 중력파는 매우 약한 신호이고 거의 대부분이 잡음인 신호속에서 찾아내어야 하는 어려운 작업이다. 때문에 이 검출기로 부터 나온 데이터를 분석하는 작업은 다양한 학문적 융합을 통해서 이루어 내어야 하는 어려운 작업이다. 실제 2007년에야 비로소 LIGO는 목표 센서티비티인 10의 23승분의 1을 도달했다. 이 중력파원으로 부터 나온 신호는 대부분이 잡음이 섞여진 무의미한 신호이다.

이 신호는 적절한 수학적 연산 및 공학적 테크닉을 통해 원하는 신호를 찾아낼 수 있게 된다. 실제 LIGO에서 당면한 task는 이보다 더 복잡하다. 그 이유는 지구상 현존하는 가장 민감한 검출기인 관계로 원하지 않는 신호까지 모두 검출이 되기 때문이다. 때문에 각 노이즈나 글리치 (peak 신호)등의 정체를 밝히고 분류하는 작업이 중요하다. 그리고 다른 지구현상들 - 지진, 해일, 태풍 - 에 대한 신호역시 분류하여 중력파 신호와 무관한 신호(Veto Category)로 분류하고 있다. 이 데이터의 분석은 복잡하고 도전적인 일이므로 새로운, 다양한 수학적 알고리즘과 분석 소프트웨어를 요구하고 있다. 이는 천문학, 천체물리학적 지식과 밀접하게 연관되어 있어 이 분야의 융합적인 협력은 절실히 요구되고 있는 실정이다.

중력파 검출기의 미래와 전망

2010년 현재까지 6번의 과학수행의 결과로 현존하는 민감도를 가진 LIGO검출기는 중력파 신호를 찾지 못하였다. 몇몇의 물리학자들이 계산한 바로는 현존하는 검출기로 중력파원을 찾을 확률(event rates)은 대략 100년의 1개꼴의 중력파원을 찾을수 있다고 한다. 그렇다면 현재 10여년간의 수행으로 찾지 못한것도 무리는 아니다. 이에 좀더 향상된 검출기의 업그레이드가 계획되고 있다. Advanced LIGO라 불리는 프로젝트가 그것이다. 현재 존재하는 2개의 중력파검출기에 10배정도의 민감도를 향상시키고, 다양한 잡음제거 기술과 알고리즘을 가미하여 2015년경부터 가동될 예정이다. 이때 향상된 ALIGO에서 중력파원을 찾을 확률은 아무리 적게 잡아도 대략 2-3일에 1개꼴로 검출이 가능해지게 된다. 이는 중력파검출기가 우주를 바라보는 시야가 더 넒고 깊어진다는 것을 의미하며 우주 저멀리 현재 우리가 찾지못한 천체도 발견할 수 있게 된다는 것을 의미한다. 2015년 가동될 Advanced LIGO는 아인슈타인의 상대론 100주년을 밝게 빛내줄 기념비적인 업적이 될것이라 기대를 모으고 있다.

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