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천문우주과학소식

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중력파를 검출할 수 있는 소형 검출기

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2014-10-22
  • 조회수 : 2010
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호주의 물리학자들에 따르면, 동전 크기의 검출기가 거대 LOGO 간섭계 전에 중력파를 관측할 수 있을지도 모른다고 말하였다. 이들 물리학자들은 이런 초소형 디바이스를 이미 제작하였다. 이 검출기는 중력파가 유도하는 극도록 약한 진동을 통해서 매우 높은 주파수의 중력파를 기록할 수 있도록 디자인되었다.

아인슈타인의 일반 상대론에 의해서 예측되었지만 직접적으로는 아직 관측된 적이 없는 중력파는 우주 시공간에서 가속되는 질량을 가진 물체에 의해 생성되는 시공간의 물결이다. 소형 검출기는 Western Australia의 Maxim Goryachev 및 Michael Tobar에 의해서 제작되었으며 수십 년 동안 사용된 공명 질량 검출 기술에 기반하고 있다.

1950년대 미국 매릴랜드 대학의 Joseph Weber에 의해서 선구적으로 연구된, 공명 질량 검출기는 전통적으로 1 미터 길이의 무거운 금속 막대를 사용한다. 이것은 수 킬로헤르츠에 이르는 주파수를 가진 중력파에 민감하게 한다. 그러나 중력파에 의해서 유도되는 미세한 진동은 금속 막대의 열적 소음 이상에서 극도로 검출하기가 어렵고 심지어 저온으로 냉각시켜도 검출이 어렵다는 문제점이 있다.

이들 연구진은 이 문제를 1~1000 MHz 영역의 중력파를 목표로 함으로써 극복할 수 있었다. 이들 연구진은 처음에 이런 주파수에 적합한 그램 스케일의 검출기 종류는 너무 가벼워서 어떤 종류의 측정 가능한 신호를 발생시킬 수 없을 것이라고 생각하였다. 그러나 그는 그들이 수정 벌크 음향파 공동을 냉각시키고 그것의 출력을 극도로 낮은 잡음을 가진 SQUID 증폭기로 필요한 민감도를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 연구진은 그들의 기술이 실제로 수십 년 동안 이용 가능하였지만 실온에서는 아니었다고 말하였다.

그들의 디바이스는 직경이 약 2.5센티미터인 수정 디스크가 다른 수정 조각에 붙어있는 구조이다. 그리고 그것은 진공 체임버 안에 놓여있다. 지나가는 고주파수 중력파는 디스크가 진동하게 만들고 2밀리미터 두께의 디스크를 가로질러 정상파 음파를 만들어낸다. 디스크의 상단 표면은 약간 휘어 음파 양자인 포논을 포획하여 신호 대 잡음 비를 향상시킨다. 수정의 압전 특성은 미세한 진동이 전기적 신호로 변환되게 만들고 SQUID에 의해서 검출되도록 만든다.

이들 연구진은 현재 그들의 디바이스를 4K에서 작동 중이며 내년까지 10mK의 온도에 도달하기 위해 필요한 저온 냉각기와 민감한 SQUID 를 확보할 수 있기를 희망하고 있다. 이 디바이스는 제작하는데 5십만 달러가 소요되며, 이들 물리학자들은 소형과 제조 편리함은 민감도가 향상되고 필요없는 이벤트를 여과시킬 수 있는 어레이로 확대 가능하다고 말하였다.

알려진 모든 잡음의 소스를 설명한 후, 이들 연구진은 그들의 검출기가 시공간에서 변형에 매우 민감하다는 것을 인식하였다. 진보된 LIGO는 미국에 존재하는 2개의 LIGO 검출기의 업그레이드이다. 그것은 팔의 길이가 4킬로미터에 이르는 광간섭계의 끝에 위치한 거대한 질량을 이용하여 중력파를 찾는 것이다. 이 거대한 검출기는 중성자 별 또는 충돌하는 블랙홀과 같은 소스로부터 약 0.1~1kHz 사이의 신호를 2018년 말까지 검출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이들 연구진은 그들의 디바이스가 암흑 물질로 둘러싸인 가벼운 물질의 블랙홀을 검출할 수 있을 것이라고 말하였다. 이런 물질은 원자의 구속된 전자가 전자기파를 발생시키는 것과 같이 중력파를 발생시키는 것이다. 다른 가능한 소스는 플라즈마 흐름과 특이한 우주론적 실체이다. 연구진은 그들이 진보된 LIGO가 중력파를 검출하기 전에 먼저 중력파를 검출할 수 있을 것이라고 말하였다. 이들 연구진은 적어도 이런 소스들의 중요한 상한 한계를 추정할 수 있을 것이라고 덧붙였다.

영국 버밍햄 대학의 천체 물리학자인 Mike Cruise는 이들의 연구를 매우 복잡하지만 믿을 수 있는 제안이라고 말하였다. 그러나 그는 많은 고주파수 소스는 추측에 근거하고 있으며 존재하지 않을 수도 있다고 말하였다. 그리고 간섭계에서 검출할 수 있는 것보다 훨씬 더 약할 수도 있다고 그는 덧붙였다.


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