간단한 실험으로 중력파를 감지한다.

       

간단한 실험으로 중력파를 감지한다.  우주와 시간 / 과학  2014/10/21 09:00 http://blog.naver.com/hansyoo/220156064813 전용뷰어 보기 간단한 실험으로 중력파를 감지한다. Oct 17, 2014, Edwin Cartlidge, physicsworld.com 시공간의 파문: 아주 작은 디바이스로 최초로 볼 수 있게 될지 모른다.      호주의 두 물리학자들에 따르면, 동전 크기의 감지기로 거대한 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계 중력파 관측소) 간섭계보다 먼저 중력파를 관찰할 수 있을지 모른다고 한다. 이 감지기는 매우 높은 주파수의 중력파를 거기에서 유도되는 예외적으로 약한 진동을 통하여 기록하도록 디자인된다. 다른 과학자들은 그 같은 복사선을 방출할 것이라 생각되는 천체물리학적 객체가 유도하는 진동이 대단히 미약하거나 혹은 존재하지 않을 수도 있다고 주의를 준다.    아인슈타인의 일반상대성 이론에서 예측되었지만 아직 직접 관찰되지 않은 중력파는 질량이 큰 물체가 가속되면서 생성되는 시공간의 파문이다. 호주 퍼스(Perth)의 웨스턴오스트레일리아(Western Australia) 대학의 맥심 고리야체프(Maxim Goryachev)와 마이클 토바(Michael Tobar)는 아주 작은 감지기를 만들었는데, 수십 년 전에 나온 공명-질량(resonant-mass) 감지 기술을 바탕으로 했다.     아주 작은 진동 1950년대 후반에 미국 메릴랜드 대학 조세프 웨버(Joseph Weber)가 개척한 공명-질량 감지기는 전통적으로 약 1 미터 길이에 무게 1 톤 정도 되는 금속 막대를 사용해왔다. 주파수가 대략 수 킬로헤르츠 정도인 중력파에 민감토록 고안된 것이다. 그러나 열잡음(thermal noise) 범위를 넘어서 중력파에 의해 유도되는 아주 작은 진동을 감지하기는 극도로 어렵다. 극저온으로 냉각된 상태로도 어렵다.    고리야체프와 토바는 1~1000MHz 범위의 중력파 복사를 겨냥함으로써 이 문제를 극복했다. 토바는 당초에 이 주파수에 적합한 그람(gram) 스케일의 감지기는 너무 가벼워서 측정될 만한 어떤 종류의 신호든 생성할 수 없을 것으로 생각했다. 그러나 수정 BAW(bulk-acoustic-wave, 벌크 탄성파) 동공을 냉각시키고 극도로 노이즈가 적은 SQUID(superconducting quantum interference device, 초전도 양자 간섭계) 증폭기를 사용하여 출력을 높이면 필요로 하는 감도를 얻을 수 있을 것이라 생각했다. 이런 기술은 실질적으로 수십 년 된 기술이지만 다만 지금까지는 실온에서 사용하는 것만 생각해 왔다고 토바는 말한다.     포착되는 포논들    이들의 디바이스는 진공 챔버(chamber) 내에 직경 약 2.5cm의 수정 디스크가 또 하나의 수정 조각에 달려 있는 형태로 되어 있다. 이 디바이스를 통과하는 높은 주파수의 중력파가 수정 디스크 원반을 진동시켜 두께 2mm 수정 디스크를 가로지르는 정상파(定常波)를 만든다. 디스크 윗면은 약간 굽어 음파의 양자, 즉, 포논(phonons)을 포착하게 되어 있는데, 그렇게 하여 신호 대 잡음비를 개선한다. 수정의 압전 특성이 아주 작은 진동이라도 전기 신호로 변환시켜 SQUID에 의해서 증폭된다.    연구원들은 현재 디바이스를 절대 온도 4도에서 작동시키고 있는데, 내년까지는 절대 온도 10mK(10 milli Kelvin, 10**-2K))까지 낮출 전용 극저온장치(cryostat)와 감도 높은 SQUID가 준비되기를 바라고 있다. 이 디바이스 제작에는 50만 달러가 소요되며, 작고 제작이 쉽기 때문에 배열 형태로 스케일을 확대할 수 있어서 측정 감도를 높이고 가짜 이벤트를 걸러낼 수 있을 것이라고 물리학자들은 말한다.    알려진 모든 잡음(noise)을 고려한 끝에 고리야체프와 토바는 그들의 디바이스가 10**-22까지 시공간의 굴곡을 감지할 수 있음을 알게 되었는데, 이는 “Advanced LIGO”(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계 중력파 관측소)가 지향하는 정밀도다. 기존의 LIGO 감지기 두 대를 개량하는 것인데, 길이 4km에 달하는 광학 간섭계 끝에 거대한 질량을 써서 중력파를 찾는다. 이 거대한 감지기는 2018년까지 바이너리 중성자별이나 혹은 블랙홀의 충돌 같은 경우에 나오는 0.1~1 KHz 사이의 신호를 감지할 것으로 예상된다.     우주끈(cosmic strings)과 액시온    고리야체프와 토바는 그들의 디바이스가 암흑물질로 둘러싸인 질량이 작은 블랙홀을 감지할 것이라고 말한다. 이 경우 암흑물질은 원자 내부의 전자가 전자기 복사파를 방출하는 것처럼 중력파를 방출한다. 중력파의 가능한 또 다른 소스로는 우주끈(cosmic strings)이나 액시온 구름 같은 이색적인 우주적 개체(entity) 및 플라스마 흐름(plasma flow)이 포함된다. 토바는 그들이 Advanced LIGO에 앞서서 중력파를 감지할 수 있을 것이라고 말한다.    영국 버밍엄 대학의 천체물리학자 마이크 크루즈(Mike Cruise)는 고리야체프와 토바의 시도가 매우 복잡하지만 믿을만한 제안이라고 칭찬한다. 그러나 높은 주파수의 중력파 소스 중 많은 것들이 추측성이며 존재하지 않을 수 있으며, 게다가 간섭계가 탐지할 수 있는 수준보다 훨씬 약할 수 있다고 주의를 준다. 중력 에너지는 파장의 세제곱으로 감소할 가능성이 높은데, 그래서 파장이 천분의 일 혹은 백만분의 일로 감소할 때는 대단히 힘들 것이라고 말한다.   [출처] 간단한 실험으로 중력파를 감지한다.|작성자 HANS