중력파 검출기
중력파의 근원
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.
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.
중력파의 검출과 중력파 천문학의 시대
2015년 9월 14일 13억광년 떨어진 우주에서 태양질량의 36배, 31배의 블랙홀이 충돌하면서 발생한 중력파 신호가 라이고에 포착되었다. 이는 최초의 중력파신호의 직접적인 검출이었으며, 이후 2023년 현재까지 약 91개의 중력파가 추가로 발견되었다. 라이고와 동반하여 가동중인 유럽의 비르고 검출기, 일본의 카그라 검출기도 가세하여 중력파신호의 분석에 공유되고 있다. 91개의 중력파원중 2017년 8월 17일에 발견된 신호는 약 1억 3천만 광년 떨어진 NGC4993타원은하 근처에서 발생한 중성자별 충돌에 의한것이었다. 이 중력파 신호 검출 1.7초 후에 페르미감마선위성/인테그랄 감마선 위성에서 강한 짧은주기 감마선 신호가 포착되었고, 이 분석결과로 위치를 추정한 정보가 전세계 천문대와 공유되었다. 이후 광학 후속관측을 시작한 이래 엑스선, 전파, 가시광선, 자외선, 적외선 등이 모두 관측되었고, 중성미자 신호를 제외하면 중성자별 충돌의 사건의 전자기파 관측이 중력파의 관측을 통해 정밀하게 이루어진 최초의 사례이다. 이로써 중력파는 새로운 천문학, 물리학의 시대를 열고 있고, 향후 있게될 4차 5차 가동이후 우주의 신비에 대한 해답에 한발 더 다가서게 해줄것이다.
