LIGO: 정밀 광학을 이용한 중력파 감지

중력을 보다: LIGO가 중력파를 감지하는 방법

천문학의 역사는 망원경의 발전과 밀접하게 연관되어 있으며, 우주의 더 많은 부분을 우리에게 점진적으로 보여주었습니다. 천문학의 역사는 갈릴레오와 다른 선구자들의 원시적인 망원경에서 시작되어 오늘날까지 이어지고 있습니다.

우리는 다음과 같은 새로운 망원경 대형 프로젝트를 여러 개 다루었습니다.

• DKIST세계에서 가장 강력한 태양 망원경.
• 제임스 웹 우주 망원경지구로부터 수백만 마일 떨어진 곳에 위치합니다.
• 베라 C. 루빈 천문대, 하늘 전체를 한꺼번에 관찰하는 조사용 망원경.
• SKAO(평방킬로미터 배열 관측소), 전파 스펙트럼으로 하늘을 연구합니다.
• DUNE(심해 중성미자 실험), 포착하기 힘든 중성미자를 감지합니다.

새로운 유형의 천문학이 등장하고 있는데, 이는 전혀 새로운 방식으로 천문학을 연구하는 학문입니다. 즉, 빛과 전자기파의 파장 대신 중력파를 측정하는 학문입니다.

비교적 최근까지만 해도 이론적인 현상이었지만, 이제는 중력파가 입증된 현상입니다. 한 프로젝트에서는 중력파를 측정하는 방법을 모색하고 있습니다. 레이저 간섭계 중력파 관측소 (LIGO).

중력파 천문학을 이용한 중력 측정

중력은 전자기력이나 원자 수준에서 핵력을 구동하는 힘과 마찬가지로 우주의 기본적인 힘 중 "단지"일 뿐이라고 오랫동안 믿어져 왔습니다.

하지만 20대가 되면서^th 19세기에 아인슈타인의 상대성 이론은 중력을 시공간의 곡률로 설명했습니다.

그의 이론은 별과 같은 매우 큰 물체에 중력이 작용하는 방식을 정확하게 설명했을 뿐만 아니라, 중성자별과 블랙홀과 같이 당시에는 발견되지 않은 많은 우주 현상을 예측했습니다.

또 다른 예측은 중력파로, 마치 호수 표면에 퍼지는 잔물결처럼 공간이 늘어나고 좁아지는 현상이 일어날 것이라는 것이었습니다.

일반적인 빛파나 바다의 물결과는 달리, 중력파는 어떤 입자에도 의해 전달되지 않습니다. 오히려 중력파는 시공간 구조 자체가 파동을 일으키거나 진동할 때 발생합니다. 

어떤 사건은 측정이 가능할 만큼 강력한 중력파를 생성할 만큼 충분히 거대할 가능성이 있습니다. 예를 들어, 두 개의 블랙홀이 서로 충돌하는 것과 같습니다.

그러나 이러한 현상이 절대적으로 아무리 강력하더라도 지구와 근원 사이의 엄청난 거리와 시공간의 측정이 어렵다는 점을 고려할 때, 이러한 현상을 감지하려면 매우 민감한 장비를 설계해야 합니다.

중력파가 지구에 도달할 때쯤이면 수백만 또는 수십억 광년 떨어진 곳에 도달하게 됩니다. 수천억 몇 배나 더 작습니다.

이것이 LIGO만큼 인상적인 장비가 구상되는 이유입니다.

LIGO의 첫 번째 감지에서 발생한 중력파의 경우 생성된 시공간 흔들림의 양은 10,000배였습니다. 원자핵보다 작다!

간섭계가 중력파를 감지하는 방법

중력파의 첫 간접적 증거는 쌍성 펄서의 궤도 연구를 통해 얻어졌습니다. 궤도 붕괴 에너지 손실은 중력파 생성으로 인해 손실될 것으로 예측된 에너지와 일치했습니다. 이 발견을 담당한 과학자들에게 1993년 노벨 물리학상이 수여되었습니다..

출처: 노벨상

직접 측정에는 간섭계를 사용하는 다른 유형의 증명이 필요했습니다. 간섭계의 기본 개념은 빛줄기 사이의 상호작용을 이용하는 것입니다. 두 광파의 파장이 같으면 겹쳐지면서 어둡고 밝은 점의 패턴이 생성됩니다.

하지만 파장이 바뀌면 그 교란을 측정할 수 있습니다.

중력파로 인한 시공간의 팽창과 수축은 간섭계의 한쪽 팔을 다른 쪽보다 더 크게 팽창하고 수축시키므로, 이로 인해 중력파의 감지 가능하고 측정 가능한 효과가 생성됩니다.

LIGO – 노벨상 수상 업적

LIGO는 가장 단순한 형태로, 두 개의 긴 팔로 구성되어 있으며, 각 팔을 통해 빛이 전달됩니다. 팔의 크기는 아주 미세한 변화도 감지하는 데 도움이 되는데, 팔이 길수록 측정 가능한 측정 범위가 작아지기 때문입니다.

레이저 빔이 간섭계의 한쪽 팔을 통해 발사되고, 이 팔은 두 개로 분리됩니다. 두 빔은 거울에 부딪힌 후 반사되어 되돌아옵니다.

일반적으로 각 레이저 빔은 서로 상쇄되어야 합니다.

하지만 중력파에 의해 한쪽 팔이 다른 쪽보다 더 많이 수축되거나 뻗으면 레이저 빔의 간섭이 멈추고 빛 신호가 감지됩니다.

출처: 노벨상

2015년, 미국 국립과학재단 레이저 간섭계 중력파 관측소(NSF LIGO)는 지구에서 1.3억 광년 떨어진 블랙홀의 충돌로 생성된 파동을 감지했다는 사실을 확인했습니다.

이 획기적인 작업은 물리학자 Rainer Weiss, Barry Barish 및 Kip Thorne은 2017년 노벨 물리학상을 수상했습니다..

LIGO 구축

원칙적으로 LIGO는 비교적 간단한 개념으로, 중력파의 개념을 이해하고 빛과 레이저에 대한 이해가 최소한만 되어도 쉽게 이해할 수 있습니다.

1/10,000 길이의 변화를 감지할 수 있을 만큼 정밀한 시스템 구축^th 원자의 경우는 또 다른 이야기입니다.

비슷한 시설 두 개가 미국 북서부와 루이지애나에 각각 건설되었는데, 두 곳의 거리는 약 3,000km(1860마일)였습니다.

출처: 노벨상

두 시설은 확증을 제공하는데, 두 시설의 거리가 멀기 때문에 중력파는 동일한 신호를 생성하더라도 두 시설 사이에 7초의 "지연"이 발생하기 때문입니다.

따라서 단 한 번의 감지는 항상 오류나 국지적 교란으로 간주될 수 있지만, 예측한 시간 간격으로 미국 양쪽에서 똑같은 일이 일어나는 것은 거의 불가능합니다.

이중 관측 시설은 또한 매우 귀중한 이점을 제공합니다. 바로 신호를 삼각 측량할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 신호가 발생할 수 있는 하늘의 영역을 좁힐 수 있으며, 이는 나중에 "일반" 천문학자들이 어떤 천체가 원인일지 알아내는 데 도움이 됩니다.

전례 없는 측정 정밀도를 향한 LIGO의 탐구

첫 번째 기술적 난관은 레이저 빛의 파장과 강도가 가능한 한 안정적이어야 한다는 것입니다. 그렇지 않으면 무작위적인 변동이 중력파 신호로 잘못 해석될 수 있습니다.

그러면 빔은 매달린 거울에 정확히 맞아야 합니다. 이 거울들은 절대 움직이면 안 됩니다.

근처 나무에서 나뭇잎이 떨어지거나, 아이가 뛰어가거나, 먼 길에 트럭이 지나가도 거울은 거의 흔들리지 않아야 합니다. 동시에, 이 매달린 거울들은 중력파의 흐름에 따라 자유롭게 흔들릴 수 있어야 합니다.

중력에 의한 것이 아닌 미세한 변화도 다음과 같이 보상해야 합니다.

• 거울 표면의 원자의 열 운동
• 레이저의 양자 효과.
• 지진이 난다.
• 공기 불순물이 있으면 실험이 방해를 받으므로, 전체 실험을 거대한 진공관에서 진행해야 했습니다.

이론상으로는 팔 길이가 4km 이상이면 측정값이 훨씬 더 정확하겠지만, 실제로는 간섭계를 얼마나 크게 제작할 수 있는지에 실질적인 한계가 있습니다.

결과적으로, 이 프로젝트는 예비 작업 외에도 소규모 연구팀이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 예산과 기술적 전문 지식이 필요하다는 것이 금세 드러났습니다.

그래서 1994년에 캘리포니아 공과대학의 과학자 배리 배리시는 약 40명으로 구성된 소규모 연구 그룹을 395명 이상의 참가자를 확보한 대규모 국제 협력 그룹으로 바꾸었고, 초기 자금은 XNUMX억 XNUMX만 달러였습니다.

200년 획기적인 성과를 달성하려면 총 2015억 달러가 필요했는데, 당시 LIGO는 10배 더 강력한 레이저, 40kg 무게의 거울, 매우 발전된 노이즈 필터링, 세계에서 가장 큰 진공 시스템 중 하나를 갖추게 되었습니다.

내진 안정화

지구가 완벽하게 안정될 수 없는 것처럼 LIGO의 거울도 지진 안정 장치가 없으면 안정될 수 없습니다.

최초의 수동 진동 감소 시스템은 거울에 설치되었습니다. 진동을 흡수하고 진동이 다음 부분으로 전달되는 것을 차단하는 복잡한 진자 시스템입니다.

이러한 구조를 결합하면 진동을 줄이는 데 매우 효과적이어서 서스펜션 상단에 있는 진동은 테스트 질량에 도달할 때까지 100억 배나 작아집니다.

출처: LIGO

이것만으로는 충분하지 않았기에, 능동 안정화 시스템까지 도입했습니다. 각 관측소 주변의 지진계는 다양한 지반 운동을 감지하여 컴퓨터로 전송하고, 컴퓨터는 이 신호를 종합하여 반대 운동을 결정합니다.

출처: LIGO

간섭계 설치 부지 선정 시 진동이 없어야 한다는 점은 중요한 기준이었습니다. 넓은 공간이 필요했을 뿐만 아니라, 중력파 탐지에 필요한 광공해에 해당하는 과도한 진동을 발생시키는 인위적인 활동도 없어야 했습니다.

광학

각각 40kg의 무게로 현수 장치 바닥에 매달려 있는 LIGO의 광학 장치는 나노미터 두께의 층으로 적층된 초고순도 재료로 만들어졌습니다. 광학 장치는 5만 개의 광자 중 하나를 제외한 모든 광자를 반사하는 재료로 코팅되어 있습니다!

레이저

실험의 핵심인 레이저는 간섭 패턴을 일관되게 유지하기 위해 매우 안정적인 파장을 가져야 하며, 중력파에 의해서만 간섭 패턴을 방해받습니다.

상업용 레이저는 그렇게 정밀하지 않았을 것입니다. 그래서 LIGO의 레이저는 지금까지 발명된 동종 레이저 중 가장 안정적이고 완벽한 레이저 중 하나로 특별히 설계되었습니다.

진공

공기나 떠다니는 입자로 인한 간섭을 줄이기 위해, 테스트는 초고진공 상태에서 진행됩니다.

또한 거울에 먼지가 쌓이는 위험도 없어지는데, 먼지가 쌓인 거울은 레이저에 의해 소각되어 2만 달러짜리 거울이 파손될 수 있습니다.

LIGO 팔 내부의 대기압은 1조분의 1 해수면 기준으로는 10cmXNUMX당 분자가 약 XNUMX만 개 정도밖에 없습니다.

LIGO 성과

2015년 블랙홀 충돌이 처음 발견된 이후, 이 관측소는 우주에서 다른 많은 고에너지 사건들을 측정했습니다.

• 2016년에 발생한 또 다른 블랙홀 합병은 각각 태양 질량의 약 30배에 달했으며, 최대 1.3억 광년, 즉 거의 1/10에 달하는 거리에 위치해 있었습니다.^th관측 가능한 우주 전체의 거리.
• 2017년에는 세 번째, 그리고 네 번째 블랙홀 합병이 있었습니다.

그 후 LIGO는 2019년까지 개선을 위해 폐쇄되었다가 팬데믹으로 중단되었습니다. 과학자들은 이 기회를 활용하여 추가 개선 작업을 진행하고 이탈리아 피사 외곽에 위치한 유럽 자매 연구 시설인 VIRGO의 네트워크에 합류했습니다.

LIGO의 미래

이전의 개선 사항 덕분에 LIGO는 최근 몇 년 동안 중력파를 무려 79번이나 감지하여 중성자별과 블랙홀과 관련된 사건에 대한 광범위한 카탈로그를 작성하여 다른 천문학자들이 정확하게 식별하고 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다.

앞으로의 중요한 업그레이드로는 현재의 40kg 거울을 100kg 거울로 교체하고, 훨씬 더 큰 서스펜션 시스템을 도입하는 것이 있습니다.

이러한 추가적인 감도는 우주의 중력에 대한 추가 정보를 찾는 데 도움이 될 것입니다.

또 다른 연구 분야는 "폭발 중력파"입니다. 알려지지 않았거나 예상치 못한 근원에서 발생하는 이러한 짧은 지속 시간의 파동은 이론적인 증거일 뿐이며 감지하기 어렵기 때문에 LIGO를 운영하는 분석가들은 무엇이 유효한 신호인지 아닌지에 대해 열린 마음을 가져야 합니다.

"우리는 이전에는 알지 못했던 시스템에서 중력파를 감지할 수도 있습니다. 이러한 종류의 중력파를 탐색하기 위해서는 LIGO 과학자들이 이전에 모델링했던 것처럼 명확하게 정의된 속성을 가질 것이라고 가정할 수 없습니다.

즉, 우리는 과학자들이 예측한 중력파의 특징만을 찾는 데만 분석을 국한할 수 없습니다."

기타 중력파 감지기

차세대 간섭계도 논의되고 있는데, 특히  우주 탐험가, 간섭계 40km 길이 팔, 또는 아인슈타인 망원경, 땅속 깊은 곳에 묻힌 10km 길이의 팔을 가진 삼각형 감지기.

미래에 볼 수 있는 또 다른 프로젝트는 거대한 우주 기반 중력파 감지기입니다. LISA레이저 간섭계 우주 안테나. 이 안테나는 유럽 우주국(ESA)이 주도하는 벤처 기업에서 이미 설계 및 시험 중입니다. 이 벤처 기업은 세 대의 우주선을 삼각형 형태로 운용할 예정이며, 각 위성 간 거리는 2.5만 킬로미터입니다.

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결론

LIGO는 최초의 실험에서 시작하여 중력파의 존재를 즉시 입증한 매우 인상적인 프로젝트입니다.

LIGO와 같은 프로젝트는 언뜻 보기에 순전히 학문적인 것처럼 보일 수 있습니다. 실제로는 그렇지 않지만, 직접적인 적용 가능성은 처음에는 상상하기 어려울 수 있습니다.

예를 들어, 아인슈타인의 상대성 이론은 오늘날 GPS 위성의 위치를 보정하는 데 일상적으로 사용되는데, 1919년에는 일상적인 상업적 필요로 상상하기 힘든 응용 분야였습니다.

마찬가지로 LIGO는 과학자들이 세계적 수준의 엔지니어링을 통해 더욱 정밀한 거울, 안정화 시스템, 레이저를 발명하도록 촉구하고 있습니다.

이러한 혁신은 첨단 컴퓨팅이나 우주 기술을 포함하여 이러한 장치를 사용하는 모든 기술에서 성과를 거둘 가능성이 높습니다.

첨단 광학에 투자

코닝 Incorporated

망원경의 등장으로 첨단 유리의 정밀 제조가 가능해지면서 자동차, 반도체, AI, 방위, 바이오기술, 의료 등 다양한 분야에서 많은 산업적 가능성이 열리고 있습니다. 첨단 광학 시장은 310억 달러 규모로 9.2년까지 연평균 2032% 성장할 것으로 예상됩니다..

코닝은 170년의 역사를 자랑하는 유리 및 광학 기업입니다. 코닝은 창립 이래 토머스 에디슨의 전구에 사용된 최초의 유리 전구, 최초의 저손실 광섬유, 촉매 변환기를 가능하게 하는 셀룰러 기판, 그리고 모바일 기기용 최초의 손상 방지 커버 유리를 생산해 왔습니다.

출처: 코닝

오늘날 이 회사는 공통적인 제조 공정과 최종 시장을 공유하는 유리 및 세라믹 제조의 핵심 기술과 광학 물리학 기술에 주력하고 있습니다.

출처: 코닝

이러한 기술 상호연결을 통해 회사는 다양한 제품 라인 간에 공통적인 제조, 연구 및 엔지니어링 역량을 공유할 수 있습니다. 전 세계 52,000명 이상의 직원, 77개 이상의 제조 시설, 그리고 10개 이상의 R&D 시설을 보유한 이 회사는 해당 틈새 시장에서 큰 영향력을 발휘하고 있습니다.

출처: 코닝

이 회사는 AI와 데이터 센터 구축(광섬유)의 붐과 스크린 및 생명공학 분야에서의 특수 유리 소비 전반의 증가로 이익을 얻고 있습니다.

코닝은 관세의 영향을 크게 받지 않을 것으로 예상됩니다. 미국 매출의 90%가 미국산 제품에서 발생하기 때문입니다. 중국 매출 중 미국 공장에서 발생한 매출은 매우 적으며, 중국 매출의 80%가 중국에서 발생했습니다.

Corning이 전략적 통제를 통해 태양광 패널 시장에 진출함에 따라 관세가 도움이 될 수도 있습니다. 헴록 솔라아시아 태양광 패널(중국뿐만 아니라)에 80자리 관세가 부과됨에 따라 미국산 패널을 생산하기로 했습니다. 이미 고객의 약속으로 용량의 XNUMX%가 확보되었습니다.

태양광 사업은 이 회사에 매우 중요한 사업입니다. 이 회사는 60년 동안 초고순도 실리콘(순도 99.9999999999%)을 포함한 폴리실리콘을 생산해 왔으며, 현재는 미국에서 100% 수입하는 제품인 실리콘 웨이퍼 생산을 시작하고 있습니다. 실리콘은 이 회사의 핵심 제조 전문 지식이며, 이를 처리하는 것이 이 회사에 매우 중요합니다.

출처: 코닝

이 회사는 또한 유리와 세라믹 분야의 전문성을 바탕으로 휘어지는 유리, AR, 탄소 포집 등 다른 첨단 기술에도 관심을 갖고 있습니다.

출처: 코닝

전반적으로 코닝은 고도의 기술력을 갖춘 기업으로, 현지 생산 방식을 채택하여 탈세계화로 인한 피해를 입지 않을 것입니다. 또한 핵심 역량과 부합하는 새로운 시장, 특히 태양광 및 광통신/AI 인프라 시장 진출을 모색하고 있습니다. 이러한 점 때문에 코닝은 상대적으로 보수적인 기업으로, 틈새시장에만 집중하는 동시에 하이테크 시장에서 잠재적 성장주로 자리매김할 수 있습니다.

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