LIGO: 정밀 광학으로 중력파 탐지

중력을 보는 방법: LIGO가 중력파를 탐지하는 방식

천문학의 역사는 망원경의 발전과 얽혀 있으며, 점점 더 많은 우주를 우리에게 보여주었습니다. 갈릴레오와 다른 선구자들의 원시 망원경에서 시작해 오늘에 이르기까지 이어지고 있습니다.

우리는 이미 여러 새로운 망원경 메가프로젝트를 다루었습니다, 예를 들어:

• DKIST, 세계에서 가장 강력한 태양 망원경.
• The James Webb Space Telescope, 지구에서 수백만 마일 떨어진 곳에 위치함.
• The Vera C. Rubin Observatory, 전체 하늘을 한 번에 관측하는 조사 망원경.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), 전파 스펙트럼에서 하늘을 연구함.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), 포착하기 어려운 중성미자를 탐지함.

새로운 형태의 천문학이 등장하고 있습니다. 빛과 전자기파의 파장을 측정하는 대신, 중력파를 측정합니다.

한때 이론에 불과했지만, 이제 중력파는 입증된 현상이 되었습니다. 이를 측정하려는 프로젝트 중 하나가 바로 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)입니다.

중력파 천문학으로 중력 측정하기

중력은 오랫동안 전자기력이나 원자 수준의 핵력과 같은 기본 힘 중 하나에 불과하다고 여겨졌습니다.

하지만 20^th 세기 초에, 아인슈타인의 상대성 이론은 중력을 시공간의 곡률로 설명했습니다.

그 이론은 별과 같은 거대한 물체에 대한 중력 작용을 정확히 설명했을 뿐만 아니라, 당시 아직 발견되지 않은 중성자별과 블랙홀 같은 많은 우주 현상을 예측했습니다.

또 다른 예측은 중력파였으며, 이는 시공간이 호수 표면에 퍼지는 물결처럼 늘어나고 수축한다는 것이었습니다.

일반적인 빛의 파동이나 물의 파도와 달리, 중력파는 어떤 입자에 의해 전달되지 않습니다. 대신, 시공간 자체가 파동이나 진동을 할 때 중력파가 발생합니다.

예를 들어 두 블랙홀이 서로 충돌하는 경우와 같이, 충분히 거대한 사건이 중력파를 생성해 측정 가능할 정도로 강하게 만들 가능성이 있습니다.

하지만 현상 자체가 얼마나 강력하든, 지구와 그 원천 사이의 거리가 어마어마하고, 시공간 자체를 측정하려는 난이도 때문에, 이러한 사건을 감지하려면 초고감도 장비가 필요합니다.

중력파가 지구에 도달할 때, 수백만 또는 수십억 광년 떨어진 곳에서 온 파동은 수천억 배나 작아집니다.

이 때문에 LIGO와 같은 장비가 구상되었습니다.

LIGO가 처음 탐지한 중력파의 경우, 시공간이 흔들린 정도는 원자 핵보다 10,000 배 더 작았습니다!

간섭계가 중력파를 탐지하는 방법

첫 번째 간접 증거는 이중 펄사(binary pulsar)의 궤도 연구를 통해 얻었습니다. 궤도 감속에 따른 에너지 손실은 중력파 생성으로 인한 에너지 손실과 일치했으며, 이 발견을 이끈 과학자들에게 1993년 노벨 물리학상이 수여되었습니다.

출처: Nobel Prize

직접 측정을 위해서는 다른 유형의 증거가 필요했으며, 바로 간섭계를 사용했습니다. 간섭계의 기본 아이디어는 빛의 파동 사이의 상호 작용을 이용하는 것입니다. 두 빛 파동이 같은 파장을 가질 경우, 겹쳐져 어두운 점과 밝은 점의 무늬를 만들게 됩니다.

하지만 무언가가 이 파장을 변화시키면, 그 교란을 측정할 수 있습니다.

시공간이 중력파에 의해 팽창하고 수축하면서 간섭계의 한 팔이 다른 팔보다 더 많이 팽창·수축하면, 이는 중력파의 감지 가능하고 측정 가능한 효과를 만들어냅니다.

LIGO – 노벨상 수상 성과

가장 단순히 말하면, LIGO는 각각 4km(약 2½마일) 길이의 두 긴 팔로 구성되어 있으며, 빛을 그 안으로 보냅니다. 팔이 길수록 미세한 변화를 감지할 수 있습니다.

레이저 빔이 간섭계의 한 팔을 따라 보내지고, 두 갈래로 나뉩니다. 두 빔은 거울에 반사된 뒤 다시 되돌아옵니다.

보통 두 레이저 빔은 서로를 상쇄시켜야 합니다.

하지만 중력파에 의해 한 팔이 다른 팔보다 더 많이 수축하거나 팽창하면, 레이저 빔 사이의 간섭이 멈추고 빛 신호가 감지됩니다.

출처: Nobel Prize

2015년, 미국 국립과학재단(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, NSF LIGO)은 지구에서 13억 광년 떨어진 블랙홀 충돌이 만든 파동을 탐지했음을 확인했습니다.

이 획기적인 연구는 레이너 와이스, 배리 바리시, 그리고 킵 손 박사에게 2017년 노벨 물리학상이 수여되는 계기가 되었습니다.

LIGO 구축

원칙적으로 LIGO는 비교적 단순한 개념이며, 중력파와 빛·레이저에 대한 기본 이해만 있으면 쉽게 파악할 수 있습니다.

원자 길이의 1/10,000^th 정도 변화를 감지할 수 있을 만큼 정밀한 시스템을 구축하는 것은 또 다른 이야기입니다.

두 개의 유사한 시설이 건설되었으며, 하나는 미국 북서부에, 다른 하나는 루이지애나에 위치하고 있으며, 약 3,000km(1,860마일) 정도 떨어져 있습니다.

출처: Nobel Prize

두 시설은 상호 확인 역할을 합니다. 거리가 멀기 때문에 중력파가 두 곳에 도달하는 데 약 7초의 “지연”이 발생하지만, 동일한 신호를 생성합니다.

따라서 단일 탐지는 오류나 지역 교란으로 간주될 수 있지만, 미국 양쪽에서 정확히 예측된 시간 간격에 동일한 현상이 발생한다면 거의 불가능에 가깝습니다.

두 시설은 또한 신호를 삼각 측량할 수 있는 귀중한 이점을 제공합니다. 이를 통해 신호가 발생한 하늘의 영역을 좁힐 수 있으며, 이후 “일반” 천문학자들이 해당 영역에서 어떤 천체가 원인인지 확인하게 됩니다.

LIGO의 전례 없는 측정 정밀도 추구

첫 번째 기술적 난관은 레이저 빛의 파장과 강도가 가능한 한 안정적이어야 한다는 점입니다. 그렇지 않으면 무작위 변동이 중력파 신호로 오해될 수 있습니다.

그 다음에는 빔이 매달린 거울에 정확히 닿아야 합니다. 이 거울은 절대 움직여서는 안 됩니다.

거울은 전혀 흔들리지 않아야 하며, 근처 나무에서 낙엽이 떨어지거나, 아이가 뛰어다니거나, 먼 거리에서 트럭이 지나가도 전혀 흔들리지 않아야 합니다. 동시에, 이러한 매달린 거울은 중력파가 지나갈 때 흔들릴 수 있어야 합니다.

중력에 의한 것이 아닌 미세한 변동도 보정해야 하는데, 예를 들어:

• 거울 표면에 있는 원자의 열운동
• 레이저 내부의 양자 효과
• 지진 진동
• 공기 불순물은 방해가 되므로 전체 실험을 거대한 진공관에서 진행해야 함

이론적으로는 4km보다 긴 팔이 더 정밀한 측정을 제공하지만, 실제로는 인터페라미터를 얼마나 크게 만들 수 있는지에 실용적인 한계가 있습니다.

그 결과, 예비 작업 외에도 이 프로젝트는 소규모 연구팀이 제공할 수 있는 예산과 기술 전문성을 훨씬 초과한다는 것이 빠르게 드러났습니다.

그래서 1994년, 캘텍의 과학자 배리 바리시가 약 40명의 소규모 연구팀을 1,000명 이상이 참여하는 대규모 국제 협력으로 전환했으며, 초기 자금은 3억 9,500만 달러였습니다.

2015년 돌파구를 달성하려면 전체 예산이 2억 달러가 필요했으며, 그때 LIGO는 10배 더 강력한 레이저, 40kg 무게의 거울, 고도로 진보된 잡음 필터링, 그리고 세계 최대 규모의 진공 시스템 중 하나를 갖추었습니다.

지진 안정화

지구가 완전히 안정적일 수 없듯이, LIGO의 거울도 지진 안정화 장치 없이는 안정적일 수 없습니다.

첫 번째 수동 진동 감소 시스템이 거울에 설치되었습니다: 복잡한 진자 시스템이 진동을 흡수하고 다음 부품으로 전달되는 것을 차단합니다.

이 구조는 진동을 감소시키는 데 매우 효과적이며, 서스펜션 상단에 존재하는 진동이 테스트 질량에 도달할 때까지 1억 배 작아집니다.

출처: LIGO

하지만 이것만으로는 충분하지 않아, 능동 안정화 시스템도 추가되었습니다. 각 관측소 주변에 설치된 지진계가 다양한 지반 움직임을 감지하고, 이를 컴퓨터에 전달해 반대 움직임을 계산합니다.

출처: LIGO

진동이 없는 것이 중요했기 때문에 인터페라미터를 건설할 장소를 선정할 때 중요한 기준이 되었습니다. 넓은 공간이 필요할 뿐만 아니라, 인간 활동으로 인한 진동이 거의 없는 곳이어야 했으며, 이는 중력파 탐지에 있어 빛 공해와 같은 역할을 합니다.

광학

각각 40kg 무게이며 서스펜션 바닥에 매달린 LIGO의 광학 부품은 초고순도 물질로 만들어져 나노미터 두께의 층으로 쌓여 있습니다. 이들은 5백만 개의 광자 중 하나만을 반사하지 않는 물질로 코팅되어 있습니다!

레이저

실험의 핵심인 레이저는 파장이 매우 안정적이어야 간섭 무늬가 일관되게 유지되고, 중력파에 의해 방해받을 때만 변화를 감지할 수 있습니다.

상업용 레이저는 그 정도의 정밀도를 제공하지 못했을 것입니다. 그래서 LIGO의 레이저는 지금까지 발명된 가장 안정적이고 순수한 레이저 중 하나가 되도록 특별히 설계되었습니다.

진공

공기나 떠다니는 입자로 인한 간섭을 최소화하기 위해 실험은 초고진공 상태에서 진행됩니다.

또한 거울에 먼지가 쌓이는 위험을 제거하는데, 먼지는 레이저에 의해 소각되어 200만 달러짜리 거울을 파괴할 수 있습니다.

LIGO 팔 내부의 대기압은 해수면의 1조분의 1 수준이며, 이는 입방 센티미터당 약 1천만 개의 분자만 존재한다는 의미입니다.

LIGO 성과

2015년 최초의 블랙홀 충돌 발견 이후, 관측소는 우주에서 발생한 많은 고에너지 사건들을 측정했습니다:

• 2016년 또 다른 블랙홀 합병, 각각 약 30태양질량, 거리는 13억 광년까지 측정되었으며, 이는 관측 가능한 전체 우주의 거리의 1/10^th에 해당합니다.
• 2017년에 세 번째와 네 번째 블랙홀 합병이 발생했습니다.

그 후 LIGO는 2019년까지 개선 작업을 위해 일시적으로 중단되었으며, 팬데믹으로 인해 중단되었습니다. 과학자들은 이 기간을 활용해 추가 개선을 진행하고, 이탈리아 피사 외부에 위치한 유럽형 형제 시설인 VIRGO 네트워크를 추가했습니다.

LIGO의 미래

이전 개선 덕분에 LIGO는 최근 몇 년간 79건 이상의 중력파 탐지를 기록했으며, 중성자별과 블랙홀 관련 사건들의 방대한 카탈로그를 구축해 다른 천문학자들이 정확히 식별하고 더 잘 이해할 수 있게 했습니다.

앞으로 중요한 업그레이드 중 하나는 현재 40kg 거울을 100kg 거울로 교체하고, 훨씬 큰 서스펜션 시스템을 도입하는 것입니다.

추가된 감도는 우주에서 중력에 대한 더 많은 정보를 찾는 데 도움이 될 것입니다.

또 다른 연구 분야는 “버스트 중력파”입니다. 알려지지 않았거나 예상치 못한 원천에서 발생하는 짧은 지속시간의 파동은 아직 이론 단계이며 탐지가 어렵기 때문에, LIGO를 운영하는 분석가들은 어떤 것이 유효한 신호인지에 대해 개방적인 자세를 유지해야 합니다.

“우리는 이전에 알지 못했던 시스템에서 중력파를 탐지할 수도 있습니다. 이러한 종류의 중력파를 찾기 위해서는, 기존에 과학자들이 모델링한 명확한 특성을 가질 것이라고 가정할 수 없습니다. 이는 과학자들이 예측한 중력파 서명만을 찾는 분석에 제한을 둘 수 없다는 것을 의미합니다.”

다른 중력파 탐지기

다음 세대 인터페라미터도 논의 중이며, 특히 Cosmic Explorer는 40km 길이의 팔을 가진 인터페라미터이며, Einstein Telescope은 10km 길이의 팔을 가진 삼각형 형태의 탐지기로, 깊은 지하에 매설되어 있습니다.

미래에 볼 수 있는 또 다른 프로젝트는 거대한 우주 기반 중력파 탐지기인 LISA입니다. 이는 이미 유럽우주국(ESA)이 주도하는 프로젝트에서 설계·시험 중이며, 삼각형 형태로 배치된 세 개의 우주선이 각각 2.5백만 km 간격을 두고 운용될 예정입니다.

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결론

LIGO는 최초의 실험에서 중력파 존재를 즉시 검증한 매우 인상적인 프로젝트입니다.

LIGO와 같은 프로젝트는 처음에는 순수 학문적이라고 보일 수 있지만, 실제로는 직접적인 응용 분야가 처음에는 상상하기 어려울 수 있습니다.

예를 들어, 아인슈타인의 상대성 이론은 오늘날 GPS 위성 위치를 보정하는 데 일상적으로 사용되고 있으며, 이는 1919년에는 상업적 필요로 상상하기 어려웠던 응용이었습니다.

마찬가지로, LIGO는 과학자들이 세계 최고 수준의 정밀 거울, 안정화 시스템, 레이저를 발명하도록 촉진하고 있습니다.

이러한 혁신은 고성능 컴퓨팅이나 우주 기술을 포함한 이 장치를 사용하는 모든 기술에 결실을 맺을 가능성이 높습니다.

첨단 광학에 투자하기

Corning Incorporated

망원경이 정밀 유리 제조 분야에서 가능한 범위를 넓히면서, 자동차, 반도체, AI, 방위, 바이오테크, 헬스케어 등 다양한 산업 분야에서도 많은 산업적 가능성을 열어줍니다. 첨단 광학 시장은 3,100억 달러 규모이며, 2032년까지 연평균 9.2% 성장할 것으로 예상됩니다.

Corning은 170년 역사를 가진 유리 및 광학 기업입니다. 그 역사를 통해 토마스 에디슨의 전구용 최초 유리, 저손실 광섬유, 촉매 변환기를 가능하게 하는 셀룰러 기판, 모바일 기기용 손상 방지 커버 유리를 생산했습니다.

출처: Corning

오늘날 이 회사는 유리와 세라믹 제조, 광학 물리 기술이라는 핵심 기술에 집중하고 있으며, 이들 기술은 공통의 제조 공정과 최종 시장을 공유합니다.

출처: Corning

이러한 기술 상호 연결은 회사가 다양한 제품 라인 간에 공통 제조, 연구 및 엔지니어링 역량을 공유하도록 합니다. 전 세계에 52,000명 이상의 직원, 77개 이상의 제조 시설, 10개 이상의 R&D 시설을 보유한 이 기업은 자신만의 틈새 시장에서 큰 플레이어입니다.

출처: Corning

이 회사는 AI와 데이터 센터 구축(광섬유) 붐, 그리고 스크린과 바이오테크 분야에서 특수 유리 소비 증가로 혜택을 받고 있습니다.

Corning은 미국 매출의 90%가 미국산 제품에서 나오기 때문에 관세의 영향을 크게 받지 않을 것으로 보입니다. 중국에서 발생한 매출 중 미국 시설에서 생산된 제품은 거의 없으며, 중국 매출의 80%는 중국 내에서 생산됩니다.

관세는 오히려 도움이 될 수 있습니다. Corning은 Hemlock Solar를 전략적으로 통제하여 미국산 패널을 생산하고 있으며, 아시아(특히 중국) 태양광 패널에 사십배 관세가 부과되고 있기 때문입니다. 용량의 80%는 이미 고객 약속을 통해 확보되었습니다.

태양광은 회사에 큰 의미가 있습니다. 실리콘은 회사의 핵심 제조 전문 분야이며, 60년 동안 폴리실리콘을 생산해 왔으며, 초고순도 실리콘(99.9999999999% 순도)도 생산하고 현재 미국에서 100% 수입하던 실리콘 웨이퍼 생산을 시작했습니다.

출처: Corning

이 회사는 또한 굽히는 유리, 증강 현실(AR), 탄소 포집 등에서 유리와 세라믹 전문성을 활용할 수 있는 다른 첨단 기술에도 주목하고 있습니다.

출처: Corning

전반적으로 Corning은 현지 제조를 통해 탈세계화의 영향을 크게 받지 않을 깊이 기술적인 기업이며, 태양광 및 광통신/AI 인프라와 같은 핵심 역량에 맞는 새로운 시장에도 적극 진출하고 있습니다. 이는 비교적 보수적인 기업이면서도 틈새 시장을 더욱 깊게 파고들고, 동시에 고기술 시장에서 성장 잠재력을 가진 주식이 되게 합니다.

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