중력파를 찾기 위한 끊임없는 도전

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우리 우주의 신비를 파헤치는 것은 장대한 서사시와 같은 일이지만, 현재 우리는 지난 수십 년 동안 우리의 추적에서 벗어난 어떤 것을 발견하려고 한다. 중력파 연구는 긴 서사시와 같은 일이다. 그것들은 아인슈타인의 상대성 이론에서 제시한 예측이었지만, 지난 수십 년간 과학자들은 중력파의 이론적 존재를 주장해왔다. 1957년, 물리학자들은 중력파가 에너지를 가지고 있고, 이로 말미암은 진동을 한다고 증명했다. 그러나 태양보다 백만 배 이상의 에너지를 담고 있는 파가 원자핵보다도 더 작은 진동을 만들 것이라는 사실 또한 명백하다. 감지기를 구축하는 것이 벅찬 임무 같아 보였지만, 1960년대, 메릴랜드 대학의 물리학자인 Joseph Weber는 최초의 감지기를 설계하기 시작했다. 1969년, 그는 드디어 성공할 수 있었다. 흥분과 놀라움의 도가니였다. 어떻게 그러한 많은 양의 에너지가 은하나 별에 대한 우리의 이해와 일치할 수 있을까? 과학의 시대가 도래했다. 2년 안에, 10개의 새로운 감지기가 전 세계 주요 연구소에서 구축되었지만, 아무것도 감지할 수 없었다. 일부 물리학자들은 이를 향한 열정을 포기했지만, 그 후 40년이 지난 지금, 일부 물리학자들은 훨씬 더 나은 감지기 개발에 온 힘을 쏟고 있다.

1980년대, 극저온 공진 막대(cryogenic resonant bars)라고 불리는 다섯 개의 감지기를 구축한 다국적 연구진이 웨스턴 호주 대학에서 NIOBE라고 불리는 감지기를 설계했다. 이것들은 절대 영도에 가깝게 냉각한 거대한 금속 막대들이다. 연구진은 Weber의 장비보다 백만 배나 더 작은 진동을 감지할 수 있는 초전도 센서를 사용했다. 그것들은 1960년대를 통틀어 작동되었다. 만약 블랙홀 한 쌍이 우리 은하와 충돌하거나, 또는 새로운 블랙홀이 형성된다면, 차가운 금속 막대는 부드러운 땡 소리를 감지할 것이지만, 아직은 조용한 채로 남아있다. 극저온 감지기가 우리에게 준 것은 양자 물리가 어떻게, 심지어 톤 규모의 개체 측정에도 영향을 주는지에 관한 이해이다. 이 감지기는 연구진으로 하여금 측정에 관한 새로운 접근 방법과 정면으로 대처하도록 하였다. 오늘날, 이는 거시적 양자 역학이라는 주요한 연구 분야로 성장했다. 그러나 무효의 결과가 끝을 의미하는 것은 아니다. 이것은 우리가 앞으로 우주에 관해 보아야 할 것들을 제시해주었다. 블랙홀 충돌은 은하에서는 매우 드문 일이지만, 다른 백만 개의 은하를 생각한다면, 이는 아주 흔하게 일어나는 일이다.

이 새로운 기술은 그 감도를 상당히 늘릴 필요가 있었으며, 2000년대, 레이저 간섭 측정(laser interferometry)이라는 도구를 이용하여, 그것이 가능했다. 이것의 핵심은 넓은 간격으로 떨어진 거울 사이의 작은 진동을 측정하기 위하여, 레이저 빔을 사용하는 것이다. 거리가 클수록, 진동도 커진다. 그리고 L 형상은 신호를 두 배로 증대시켰고, 레이저에서 나오는 소음을 상쇄시킨다. 호주 국립 대학을 포함한 몇몇 물리학 연구진은 이 기술을 찾기 위한 노력을 지난 몇 년간 계속 해왔다. 레이저 빔 측정은 매우 넓은 공간을 가능케 하기 때문에, 그 크기가 4km에 이르는 새로운 감지기가 설계되고, 유럽과 미국, 그리고 일본에서 구축되었다. 중력 천문학 호주 컨소시엄은 호주 서부에 위치한 퍼스 북쪽의 진진이라는 곳에 거대한 연구 센터를 구축했으며, 이를 미래에 남반구 중력파 감지기로 사용할 예정이다. 전 세계가 이를 필요로 할 것이며, 이 삼각 측량법은 신호의 위치를 감지하는데 사용될 것이다. 이 새로운 감지기는 두 단계로 나누어진다. 첫 번째 감지기는 레이저 기술이 비교적 낮은 강도의 레이저 광을 사용하면서도, 4km 규모를 감당할 수 있는지를 증명하는 보통의 목적을 가질 것이며, 이는 신호를 감지할 확률이 몇 %밖에 되지 않음을 의미한다. 이 감지기는 세계에서 가장 큰 진공 시스템 내부에 있다. 여기에 쓰이는 거울들은 망원경 거울보다 약 100배나 더 완벽해야 하며, 지진 진동 등은 차단되어야 한다. 또한, 레이저 빛은 지금까지 생성된 것 중 가장 순수한 것이어야 한다.

두 번째 단계는 좀 더 큰 거울과 더 큰 레이저 전력, 그리고 좀 더 나은 진동 제어를 위한 재구축을 완료하는 것이다. 이 두 번째 단계는 블랙홀을 형성하기 위하여 합쳐지는 중성자별의 덩어리 쌍이 있는 것을 매년 20에서 40배까지 더 감지할 정도로 감도를 향상하는 것이다. 호주는 이 미국 프로젝트의 이 두 단계 모두에 깊이 관여되어 있다. CSIRO는 첫 번째 감지기의 핵심이 되는 거대한 정밀 거울을 완벽히 손보도록 의뢰했다. 호주 컨소시엄은 올해 초 진진에 모여서 이 새로운 국제적 프로젝트를 계획했다. 이 프로젝트의 일부 목표는 컨소시엄이 구축한 비교적 작은 중력파 감지기인 80미터 규모의 레이저 연구 설비에 집중하는 것이다. 실험은 이 새로운 감지기의 물리를 탐구하고, 특히, 레이저 빛이 가하는 힘에 집중하고 있다. 연구진은 포논이라고 불리는 소리 입자에 반응하는 레이저 광자를 포함한 여러 새로운 현상을 발견했다. 이 현상은 매우 유용한 것으로 드러났는데, 왜냐하면, 이것이 새로운 감지기 내의 불안정성을 방지할 수 있는 새로운 진단 도구로서의 기능을 보이기 때문이다. 빛의 힘은 스타워즈 라이트 세이버에 나오는 “광학 로드”를 만드는데 사용될 수 있다. 이러한 장비들은 좀 더 많은 중력파 에너지를 수집할 수 있으며, 이는 유용한 가제트에서 새로운 중력파 감지기에 이르는 광범위한 미래 응용의 장을 열 것이다.

첫 번째 감지기는 2006년 그들의 목표 감도를 달성했다. 예상한 대로, 그것들은 아무런 신호도 감지하지 못했지만, 만약 있다면, 그들이 감지할 것이라고 연구진은 믿고 있다. 두 번째 단계의 감지기는 내년부터 작동을 시작할 것이다. 호주 연구진은 이 새로운 감지기가 전체 게임을 뒤바꿀 것이라는 기대에 차 있다. 처음으로, 우리는 강도와 신호 예측에 확고한 자신감을 가졌다. 우리가 알지 못하는 사건은 일어나지 않을 것이다. 그리고 처음으로 우리는 중성자별 시스템의 유착과 블랙홀의 형성에 관한 신호를 들을 수 있다고 확신한다. 이러한 감지기가 일단 전체 감도에 도달하면, 우리는 거의 일주일에 한 번은 신호를 들을 것이다. 이러한 지점에 언제 도달할지는 아무도 모른다. 우리는 이 거대하고 복잡한 기계를 어떻게 작동하는지 알아야 한다. 만약 당신이 중력파가 처음 감지되는 날을 예상하길 원한다면, 일부 물리학자들은 2016년에, 그리고 대부분은 2017년으로 점찍을 것이다. 몇몇 비관론자는 우리가 해결하는데 몇 년이 걸릴지 모르는 문제에 봉착할 것이라고 말하기도 한다.

(그림 1) 중력파가 존재한다는 것을 알지만, 아직까지는 아무도 그것을 감지하지 못했다.

 

 

 

 

 

 

(그림2) 중력파는 회전하는 두 개의 블랙홀에 의해 발생한다.

 

 

 

 

 

 

 

(그림3) 진진에 있는 중력파 설비이다. (Credit: Australian International Gravitational Research Centre. )

http://phys.org/news/2014-02-sight-gravity.html :원문 보기 추천