천문대, 블랙홀 '붕괴' 감지

업그레이드를 통해 관측소는 이전에는 일주일에 한 번 이상 블랙홀 충돌 신호를 감지했지만, 이제는 2~3일에 한 번씩 감지할 수 있게 됐습니다.

LIGO가 감지하는 중력파는 거대하고 빠르게 움직이는 물체가 움직일 때 공간 구조를 팽창시킬 때 생성됩니다. LIGO가 2015년 운영을 시작한 이래로, 이 관측소는 약 90건의 중력파 사건을 기록했는데, 그중 대부분은 하나로 합쳐지는 과정에서 두 개의 블랙홀이 나선형으로 움직이는 데서 비롯됩니다.

천문대, 블랙홀 충돌 감지

LIGO는 워싱턴과 루이지애나에 위치한 두 대의 검출기, 즉 간섭계로 구성되어 있습니다. 간섭계는 레이저 빔을 두 개로 분리하여 두 개의 긴 진공관 끝에 설치된 두 개의 거울 사이에서 반사시킵니다. 각 진공관은 길이 4km이며 L자 모양으로 수직으로 배치되어 있습니다. 두 진공관이 교차하는 지점에는 센서가 있습니다.

공간에 아무런 교란이 없다면, 빔의 진동은 서로 상쇄될 것입니다. 그러나 중력파에 의해 공간이 확장된다면, 두 파이프 안의 레이저 빔 사이의 거리가 이동해야 하므로 완벽하게 겹치지 않게 되고, 센서는 이러한 "위상 변화"를 감지하게 됩니다.

중력파가 파이프에 가하는 신장량은 일반적으로 양성자 폭의 극히 일부에 불과합니다. 센서가 이러한 미세한 변화를 감지하려면 시스템을 주변 환경과 레이저 자체의 노이즈로부터 격리해야 합니다.

LIGO 관측소는 미국 워싱턴주와 루이지애나주에 위치한 두 대의 동일한 간섭계로 구성되어 있으며, 각 간섭계는 L자 모양으로 배열된 4km 길이의 두 개의 파이프로 구성되어 있습니다. (사진: 신화통신/칼텍/MIT/LIGO 연구실)

과학자들은 2019~2020년 천문대 발사를 앞두고 업그레이드 작업을 하면서 "빛 압축"이라는 기술을 사용하여 소음을 줄였습니다.

이 기술은 레이저 광선 자체의 노이즈를 줄이기 위한 것입니다. 빛은 개별 입자로 구성되어 있기 때문에 레이저 광선이 센서에 도달할 때 개별 광자가 센서 앞이나 뒤에 도착할 수 있습니다. 이로 인해 중력파가 없더라도 레이저 파동이 겹치지 않고 완전히 상쇄됩니다.

캘리포니아 공과대학의 물리학자인 리 맥컬러는 "광 압축" 기술은 더 균일하고 잡음이 적은 광자를 포함하는 보조 레이저 빔을 간섭계에 도입하여 이러한 효과를 줄인다"고 설명했다.

완벽한 측정은 없습니다

하지만 양자역학의 기묘한 법칙으로 인해 광자 도착 시간의 불확정성을 줄이면 레이저파 강도의 무작위적인 변동이 증가합니다. 이로 인해 레이저가 간섭계의 거울을 밀고 흔들거리게 되어 저주파 중력파에 대한 감도를 감소시키는 또 다른 종류의 잡음이 발생합니다.

MIT의 실험 물리학자인 네르기스 마발발라는 "이것은 자연의 아름다운 현상으로, 한 지점에서 미세 조정을 하면 다른 지점에서는 비용이 발생하기 때문에 절대적으로 정확한 측정이 불가능하다는 것을 보여줍니다."라고 말했습니다.

두 블랙홀이 충돌하여 하나로 합쳐지는 시뮬레이션. (사진: NASA 고다드 우주 비행 센터)

2020년에서 현재까지의 업그레이드는 이 문제를 해결하기 위한 것입니다. 과학자들은 양쪽 끝에 거울이 달린 300미터 길이의 진공관을 추가로 제작하여 보조 빔을 간섭계에 공급하기 전에 2.5밀리초 동안 저장합니다. 이 진공관의 역할은 보조 레이저의 파장을 조절하여 고주파수에서는 잡음을 줄이고 저주파수에서는 거울 진동을 줄이는 것입니다.

이러한 개선을 통해 연구자들은 블랙홀이 중력파를 생성하는 방식에 대한 더욱 자세한 정보, 즉 각 블랙홀이 자전축을 중심으로 어떻게 회전하고 서로 공전하는 방식에 대한 정보를 추출할 수 있게 될 것입니다. 이는 블랙홀과 중력파의 존재를 예측하는 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 그 어느 때보다 엄격하게 검증될 것임을 의미합니다.

천체물리학자들은 중력파가 블랙홀 충돌 및 합병에서 발생하는 신호 외에도 초신성으로 진화하기 전 붕괴하는 별의 중력적 특징과 같은 다른 유형의 신호를 나타낼 것이라고 예측합니다. 과학자들은 또한 펄스 복사를 방출하는 회전하는 중성자별인 펄서 표면에서 중력파를 감지하기를 희망합니다.

(출처: 징뉴스)

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원천: https://vtc.vn/dai-quan-sat-phat-hien-cac-lo-den-dam-nhau-ar785809.html