우주 과학 시간에서 직접 중력파 감지

“숙녀 여러분. 중력파를 감지했습니다. 우리는 해냈다!”

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 빛의 속도로 전파되고 시공간을 둘러싼 중력파는 질량을 가진 물체가 급속한 가속을 겪을 때 발생하는 에너지 파동입니다. 이러한 중력파의 존재는 이론적으로 잘 알려져 있지만 측정하기가 쉽지 않았습니다. 2016 년 2 월 11 일, 천문학에 대한 큰 뉴스가 정말 세상을 떠들썩하게 만들었습니다. 100 년 전에 아인슈타인이 예측 한 중력파를 성공적으로 관찰 한 것은 인류 최초입니다. 위의 발표는“숙녀 여러분. 중력파를 감지했습니다. 우리는 해냈다! Dr. David Reitze의 메시지는 “우리는 중력파를 발견했습니다!”라는 David Reitze 교수의 메시지로 시작됩니다. 있었다.

중력파를 생성하는 블랙홀 충돌의 개략도 ⓒ MIT

레이저 간섭계 중력파 관측소 (LIGO)와 처녀 자리 팀의 공동 팀의 일원이었던 독일 하노버 막스 플랑크 중력파 연구소의 물리학자인 Marco Drago 박사는 첫 번째로 측정 한 파형이 탐지기는 사실이 아닙니다. 한 달 이상의 자세한 통계 분석 결과, 한 쌍의 블랙홀과 그에 따른 단일 블랙홀의 합병이 생성 된 중력파의 이론적 예측과 일치하는 것으로 나타났습니다. 이것은 일반 상대성 이론에 대한 강력한 테스트이며 이원 블랙홀 합병의 첫 번째 관찰이며 항성 질량 블랙홀 이원 시스템의 존재를 나타내는 결과이기도합니다.

위의 탐지는 LIGO 탐지기 임무의 첫해에 이루어 졌기 때문에 전망은 매우 밝습니다. 소위 중력파 관측 시대가 열렸습니다. 2020 년 10 월 29 일 현재 50 개 이상의 중력파 관측 신호가 공식적으로 수집되었습니다.

현재 중력파 발견의 한계

현재 중력파의 발견은 주로 레이저 간섭 현상을 사용합니다. 장비의 원리는 기본적으로 Michelson 간섭계의 원리와 동일합니다. 중력파는 직각으로 배치 된 약 4km의 진공 파이프 2 개를 통과하는 레이저의 위상 변화를 통해 감지됩니다. 공간의 진동으로 인해 완전히 코 히어 런트 한 레이저가 이동하는 거리가 변하면 그에 따라 간섭 무늬도 변하고이를 통해 원자핵 직경만큼 작은 진동을 측정 할 수 있습니다. 중력파의 범위가 상당히 넓다는 것은 매우 고무적입니다. 참고로 중력파를 최초로 발견 한 블랙홀 쌍성은 지구에서 13 억 광년 떨어져 있습니다.

LIGO 간섭계의 원리 © Northwestern University

LIGO의 한 가지 한계는 질량이 태양 정도이거나 약간 더 큰 블랙홀이 관측의 주요 표적이라는 것입니다. 또한 지구에서 발생하는 각종 기상 현상 (주로 지진, 파도, 바람 등)의 영향은 저주파 대역으로 갈수록 더욱 중요 해지고 이로 인해 1Hz 이하의 저주파 대역은 관찰 할 수 없습니다. 지구에서. 태양 질량의 수백 배에 달하는 초 거대 블랙홀과 같이 지상에서 관찰하기 어려운 중력파를 어떻게 관찰 할 수 있습니까?

그리고 유럽 우주국의 LISA (Laser Interferometer Space Antenna) 임무

이를 위해 유럽 우주국이 나왔습니다. 태양 질량의 수백 배인 거대한 블랙홀에서 생성되는 중력파를 관찰하기 위해 우리는 은하 단위의 매우 큰 물체가 서로 충돌 할 때 주로 생성되는 중력파를 측정 할 계획입니다. 기본 작동 원리는 LIGO 감지기의 원리와 동일합니다.

그러나 우주에서 발사되는 유럽 우주국의 임무 인 LISA (Laser Interferometer Space Antenna)는 2,500 만 km 길이의 삼각 비행에서 간섭계 중력파 탐지기가 장착 된 3 대의 우주선을 운용하면서 레이저를 교환 할 것입니다. 이를 통해 중력파에 의해 변화하는 위상차를 기록합니다. 이미 진공 상태라는 점을 감안하면 파이프도 필요하지 않다는 장점도 있습니다.

LISA 미션의 상상 ⓒESA / LISA

간섭계 기반 중력파 탐지기의 안정성은 주로 장치의 진동, 거울의 재질 등 표면 상태, 광원의 안정성에 의해 결정되며 다양한 장치의 진동으로 인한 지진 소음은 다음과 같습니다. 중력파의 발견을 가장 방해합니다. 그것은 큰 요인 중 하나입니다. 그러나 우주에서 지구상에 나타나는 교란 요인이 상대적으로 적다는 장점도 있습니다. 결과적으로 LISA 임무는 0.001-0.1Hz 대역의 중력파를 감지하는 것을 목표로합니다.

LISA Pathfinder의 성공과 본격적인 LISA 임무 준비

ESA의 Horizon 2000+ 프로그램의 두 번째 임무 인 LISA Pathfinder (SMART-2)에서 위의 유럽 우주국 임무의 강한 의지를 확인할 수 있습니다. LISA 프로젝트는 실제로 이르면 2018 년에 착수하는 것을 목표로하고있었습니다. 그러나 2011 년 NASA는 자금 문제로 계획에서 제외되었고, 자금 압박을 받고있는 유럽 우주국은 이름을 eLISA로 변경하고 프로젝트 감소.

한편, 2015 년 12 월에는 LISA의 성공적인 관찰에 필요한 기술을 시연하기 위해 개발 한“나침반”LISA Pathfinder가 출시되어 전반적인 기술이 검증되었습니다. LISA 패스 파인더에는 38cm 길이의 작은 간섭계도있어 매우 짧은 경로에서 중력파를 감지하기가 어렵습니다. 그러나 LISA Pathfinder의 예비 투어 중 상당수는 원래 의도 한 것보다 훨씬 더 안정적인 결과를 얻었 기 때문에 매우 성공적이었습니다. 이를 통해 유럽 우주기구 (European Space Agency)는 LISA를 통해 우주 공간의 중력파를 감지 할 수 있다고 결론 지었다.

위의 결과는 eLISA의 추가 업그레이드에 크게 기여했으며 LISA로 이름이 변경된 우주 레이저 간섭계는 2034 년 출시 될 예정이며 향후 우주의 중력파를 안정적으로 감지하는 데 집중할 계획입니다. 우주에서 가장 큰 블랙홀의 합병을 관찰하는 것은 우주의 역사에 더 가까워지는 것을 의미합니다. 또한 LISA는 출시 후에도 활성화되는 지상파 탐지기의 가이드 역할을 할 수 있습니다. 이것이 LISA 임무가 예상되는 이유입니다.

업그레이드 된 LISA Mission ⓒESA / LISA / Gair et al. 2013 년

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