진공으로 노벨상 수상 - 중력파 존재 증명에 도움이 되는 거대 진공관

진공으로 노벨상 수상 - 중력파 존재 증명에 도움이 되는 거대 진공관

1세기 전에 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 이미 중력파의 존재를 예상했습니다. 그러나 실제로 중력파의 존재는 2015년에 증명되었습니다. 2km 길이의 진공관이 검출기로 사용되었습니다.

물에 던진 돌이 물 표면에 잔물결을 이루듯이 중력파는 공간을 연장 및 압축합니다. 이러한 시공간의 잔물결은 폭발하는 별이나 충돌하는 블랙홀과 같은 우주 재앙에서 일어납니다. 중력파는 빛의 속도로 확산됩니다. 적어도 이것은 알베르트 아인슈타인이 1915년에 일반 상대성 이론을 소개할 때 예측한 것입니다. 

그러나 측정이 매우 어렵기 때문에 이러한 신비한 파동의 존재는 2015년까지 그저 이론에 머물렀습니다. 중력파는 눈 깜짝할 사이에, 원자 지름의 일부 정도의 공간을 바꿉니다. 중력파가 예측된 지 100년이 지나서야, 두 거대 블랙홀의 충돌로 중력파에 대한 직접적인 증거가 제시되었습니다. 

킬로미터 길이의 측정 장치

이러한 파동은 2015년 9월 14일 지구에서 시공간 형태를 약간 뒤틀기 전에 20억 년 동안 시공간을 통해 파문을 일으켜 왔습니다. 미국에서 3,000km 떨어진 2개의 동일한 LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소) 검출기로 이를 측정할 수 있었습니다.

이 검출기는 각도가 90도인 2개의 튜브로 구성됩니다. 그중 하나의 길이는 2km 그리고 다른 하나는 4km입니다. 두 면이 만나는 위치에서는 레이저 빔이 방출되고 빔 스플리터에 의해 반으로 나뉩니다. 그런 다음 빔의 절반이 각 튜브로 보내집니다. 파워 리사이클 거울은 1,120km의 거리를 두고 빔 스플리터로 되돌아갈 때까지 빛이 여러 차례 신속하게 왕복하도록 합니다. 중력파가 공간을 통과하면 간섭계의 암 1개가 늘어나며 다른 암은 압축됩니다. 이를 통해 레이저 빔의 강도 변화를 검출할 수 있습니다. 

진공 및 측정 정확도

측정 장치의 무장애 작동을 보장하기 위해 튜브는 해수면 기압의 1조분의 1에 해당하는 압력을 갖습니다. 이를 위해, 튜브는 처음에 30일 동안 가열되고 이후에 나머지 공기가 고성능 진공 펌프로 배기됩니다. 마지막으로 이온 펌프를 사용하여 잔류 기체 분자를 빼냅니다. 이를 통한 초고진공에는 레이저 빔을 편향시키거나 거울을 진동시키는 공기 분자가 없으며 빛을 확산시킬 수 있는 먼지가 존재하지 않습니다.

집중적인 계산이 수행된 후인 2016년 2월, 참여 과학자들은 실제로 중력파를 측정할 수 있었고 아인슈타인 이론이 확인되었음을 발표했습니다. 이 프로젝트에서의 연구를 통해 선구자인 라이너 바이스(Rainer Weiss), 배리 베리시(Barry C. Barish) 및  킵 손(Kip Thorne)은 2017년도 노벨 물리학상을 받았습니다.


2015년 첫 번째 측정이후 시작하여 그 이후로 중력 연구에서 시공간에 발생하는 파동들이 계속 관측되고 있습니다. 마지막 파동은 2017년 8월 14일에 발생했습니다. LIGO사 협력하에 설치한 Virgo 검출기가 마지막 파동을 관측했습니다. Virgo 검출기는 이탈리아 리보르노 인근에 설치된 검출기와 유사한 형태의 기기입니다. 근원은 약 18억 광년 떨어진 곳에서 발생한 항성 충돌이었습니다. 연구진은 이전에는 접근할 수 없었던 우주의 역사와 물리학에 관한 새로운 정보에 접근할 수 있게 되기를 희망하고 있습니다. 또한, 암흑 물질이 사실상 중력파와 아무런 관련이 없다 할지라도 검출기를 통해 암흑 물질의 징후를 발견할 수 있습니다.

천체 물리학자들은 측정 결과와 계산을 제시하며, 암흑 물질이 존재하지 않는다면 회전 원심력에 의해 은하가 찢어질 것이라는 결론을 내립니다. 천체 물리학자들은 측정 결과와 계산을 기준으로 암흑 물질이 존재하지 않는다면 회전 원심력에 의해 은하가 찢어질 것이라는 결론을 제공합니다. 암흑 물질의 질량은 가시 물체의 질량보다 5배 이상이어야 합니다.

LIGO와 Virgo 검출기를 통해, 천문학자들은 블랙홀을 찾을 뿐만 아니라 은하계의 탄생에 대한 그들의 주장을 "증명"할 수 있습니다. 암흑 물질에 관련한 한 가지 이론은 암흑 물질이 빅뱅에 의해 생성된 "원시" 블랙홀로 구성되어 있다는 것입니다. 비록 이 가설은 소수 물리학자의 의견일 수 있어도, 중력 검출기는 그러한 가설을 지지하는 데이터를 제공하거나 과학자들이 다른 설명 모델에 집중할 수 있도록 그러한 가설을 반박하는 데이터를 제공할 수 있습니다.


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