2016 년 2 월, 레이저 간섭계 중력파 천문대 (LIGO)에서 일하는 과학자들은 중력파의 최초 탐지를 발표하면서 역사를 만들었습니다. 그 이후로 다수의 탐지가 이루어졌으며 Advanced LIGO 및 Advanced Virgo와 같은 관측소 간의 과학적 협력으로 전례없는 수준의 감도 및 데이터 공유가 가능해졌습니다.
중력파의 최초 탐지는 역사적인 성과 일뿐만 아니라 새로운 천체 물리학 시대를 열었습니다. 첫 번째 탐지의 중심에있는 세 명의 연구원이 2017 년 노벨 물리학상을 수상한 이유는 그리 놀라운 일이 아닙니다. 이상은 Caltech 교수 명예 킵 S. 바 리쉬와 MIT 교수 명예 Rainer Weiss에게 공동으로 수여되었습니다.
간단히 말해서, 중력파는 이진 블랙홀 쌍의 합병과 같은 주요 천문학적 사건에 의해 형성되는 시공간의 파문입니다. 그들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 1 세기 전에 처음으로 예측되었으며, 이는 거대한 섭동이 시공간의 구조를 바꿀 것이라고 지적했다. 그러나 최근 몇 년간 이러한 파동의 증거가 처음으로 관찰되었습니다.
첫 번째 신호는 LIGO의 쌍둥이 관측소 (워싱턴 Hanford, 루이지애나 리빙스턴)에서 각각 13 억 광년 떨어진 검은 두더지 합병으로 추적되었습니다. 현재까지 블랙홀 쌍의 합병으로 인해 네 가지 탐지가 이루어졌습니다. 이것은 2015 년 12 월 26 일, 2017 년 1 월 4 일 및 2017 년 8 월 14 일에 발생했으며, 마지막은 LIGO와 유럽 처녀 자리 중력파 검출기에 의해 감지되었습니다.
그들이이 성과에서 수행 한 역할에 대해 상금의 절반이 Caltech의 Barry C. Barish – 로널드와 맥신 린드 물리학과 명예 교수, 그리고 Kip S. Thorne, Richard P. Feynman 이론 물리학과 교수에게 공동으로 수여되었습니다. 명예. 나머지 절반은 MIT (Massachusetts Institute of Technology)의 명예 물리학 교수 Rainer Weiss에게 수여되었습니다.
Caltech의 토마스 에프 로젠 바움 (Sonja F. Rosenbaum) – Sonja와 William Davidow 회장 및 물리학과 교수는 최근 Caltech의 언론 보도에서 다음과 같이 말했습니다.
“2017 년 노벨 물리학상을 수상한 MIT의 라이 웨이스 (Rai Weiss)뿐만 아니라 킵 앤 베리 (Kip and Barry)를 축하하게 된 것을 기쁘게 생각합니다. LIGO에 의한 중력파의 첫 번째 직접 관측은 과학적 비전과 지속성의 특별한 시연입니다. 상상력을 발휘하는 40 년 동안 정교하게 민감한 계측기 개발을 통해 이전에는 감지 할 수 없었던 우주 과정을 엿볼 수있게되었습니다. 그것은 천체 물리학의 새로운 시대의 시작입니다.”
자신의 존재를 처음 예측 한 알버트 아인슈타인 (Albert Einstein)이 중력파가 연구하기에는 너무 약하다고 믿었다는 점을 고려하면이 성과는 더욱 인상적이었습니다. 그러나 1960 년대에는 레이저 기술의 발전과 가능한 천체 물리적 소스에 대한 새로운 통찰력으로 과학자들은 이러한 파가 실제로 감지 될 수 있다고 결론지었습니다.
최초의 중력파 탐지기는 메릴랜드 대학교의 천체 물리학 인 Joseph Weber에 의해 제작되었습니다. 1960 년대에 지어진 그의 탐지기는 중력파를 통과시켜 진동하도록 구동되는 대형 알루미늄 실린더로 구성되었습니다. 다른 시도가 뒤따 랐지만 모두 실패했습니다. 간섭계와 관련된 새로운 유형의 검출기로의 전환을 촉진합니다.
이러한 장비 중 하나는 MIT에서 Weiss에 의해 개발되었으며 레이저 간섭 법 (laser interferometry)이라는 기술에 의존했습니다. 이러한 종류의 기기에서 중력파는 레이저를 장거리에 반사시키는 넓고 분리 된 거울을 사용하여 측정됩니다. 중력파로 인해 공간이 무한대로 늘어나거나 줄어들면 검출기 내부의 반사광이 미세하게 이동합니다.
동시에 Thorne은 Caltech의 학생 및 박사후 연구원들과 함께 중력파 이론을 개선하기 위해 노력하기 시작했습니다. 여기에는 블랙홀, 중성자 별 및 초신성과 같은 물체에 의해 생성되는 파동의 강도와 주파수에 대한 새로운 추정치가 포함되었습니다. 이것은 1972 년 Throne이 그의 학생 Bill Press와 공동으로 출판 한 중력파를 연구하는 방법에 대한 그들의 비전을 요약 한 1972 년 논문에서 절정에 이르렀습니다.
같은 해, Weiss는 간섭계에 대한 자세한 분석과 천체 물리학 적 연구의 잠재력을 발표했습니다. 이 논문에서 그는 수 km 이상의 크기를 측정하는 대규모 작업이 중력파를 감지 할 수 있다고 언급했다. 또한 감지의 주요 문제 (지구의 진동 등)를 파악하고 이에 대응하기위한 가능한 솔루션을 제안했습니다.
1975 년, Weiss는 Thorne을 워싱턴 D.C.의 NASA위원회 회의에서 연설하도록 초대했으며, 두 사람은 밤새 중력 실험에 관해 이야기했습니다. 대화의 결과로 Thorne은 Calteh로 돌아가 실험 중력 그룹을 만들 것을 제안했습니다. 실험 그룹은 MIT, 글래스고 대학교 및 Garching 대학교 (유사한 실험이 수행 된 곳)의 연구원들과 병행하여 간섭계에 대해 작업 할 것을 제안했습니다.
Caltech에서 첫 번째 간섭계 개발이 시작된 직후, 중력파에 대한 Weiss의 이론을 테스트하기위한 40 미터 (130 피트) 프로토 타입이 만들어졌습니다. 1984 년에 각 기관에서 수행 한 모든 작업이 함께 이루어졌습니다. NSF (National Science Foundation)의 지원으로 Caltech과 MIT는 LIGO 협력을 형성하고 Hanford와 Livingston에있는 두 개의 간섭계 작업을 시작했습니다.
LIGO의 건설은 논리적으로나 기술적으로 중요한 도전이었습니다. 그러나 Barry Barish (Caltech 입자 물리학 자)가 1994 년 LIGO의 PIM (Principal Investigator)이되었을 때 많은 도움이되었습니다. 10 년 동안 정체 된 시도를 한 후 LIGO의 감독이되어 건설을 다시 시작했습니다. . 또한 연구팀을 확장하고 NSF에 대한 세부 작업 계획을 개발했습니다.
Barish가 지적했듯이, 그가 LIGO로 한 일은 꿈의 실현이었습니다.
“저는 항상 실험 물리학자가되고 싶었고 기술을 지속적으로 발전시켜 다른 방법으로는 할 수없는 기본 과학 실험을 수행한다는 아이디어에 매료되었습니다. LIGO는 전에 할 수 없었던 일의 주요 예입니다. 대규모 프로젝트 였음에도 불구하고 과제는 다리를 건축하거나 다른 대규모 엔지니어링 프로젝트를 수행하는 방식과는 매우 달랐습니다. LIGO에게있어 과제는 프로젝트가 진행되는 동안에도 대규모 계측기를 개발하고 디자인하는 방법이었습니다.”
1999 년까지 LIGO 관측소 건설이 마무리되었고 2002 년까지 LIGO는 데이터를 수집하기 시작했습니다. 2008 년에는 Advanced LIGO Project로 알려진 원래 감지기를 개선하기위한 작업이 시작되었습니다. 40m 프로토 타입을 LIGO의 현재 4km (2.5 마일) 간섭계로 변환하는 프로세스는 엄청난 작업이므로 단계적으로 세분화해야했습니다.
첫 번째 단계는 2002 년과 2010 년 사이에 이루어졌으며 팀은 초기 간섭계를 구축하고 테스트했습니다. 이로 인해 탐지가 이루어지지는 않았지만 관측소의 기본 개념을 보여주고 많은 기술적 장애물을 해결했습니다. 2010 년에서 2015 년 사이에 진행된 Advanced LIGO라고하는 다음 단계는 검출기가 새로운 수준의 감도를 달성 할 수 있도록했습니다.
Barish의 지도력 하에서도이 업그레이드를 통해 여러 가지 핵심 기술을 개발할 수있게되었으며 결과적으로 첫 번째 탐지가 가능해졌습니다. Barish가 설명했듯이 :
“LIGO의 초기 단계에서, 지구의 움직임으로부터 탐지기를 분리하기 위해 피아노 와이어에 매달린 테스트 매스 미러로 구성된 서스펜션 시스템을 사용했으며, 이와 유사한 다단계 수동 충격 흡수 장치를 사용했습니다. 당신의 차에. 우리는 이것이 중력파를 감지하기에 충분하지 않다는 것을 알았으므로 LIGO 실험실에서 거울을 안정화시키기위한 새로운 서스펜션 시스템과 감지 및 수정을위한 능동적 인 지진 격리 시스템을 통합 한 Advanced LIGO를위한 야심 찬 프로그램을 개발했습니다. 지상 운동.”
Thorne, Weiss 및 Barish가 중력파 연구에 얼마나 집중했는지를 감안할 때 세 가지 모두 올해 노벨 물리학상 수상자로 인정되었습니다. Thorne과 Barish는 2017 년 10 월 3 일 이른 아침 시간에 우승했다는 알림을 받았습니다.이 소식에 대한 응답으로 두 과학자 모두 LIGO, 이에 기여한 과학 팀 및 LIGO의 지속적인 노력을 인정했습니다. 관측소를 만들고 유지하기위한 Caltech과 MIT의 노력.
“상은 당연히 복잡한 중력파 간섭계를 구축하고 완성한 수백 명의 LIGO 과학자 및 엔지니어들과 LIGO의 시끄러운 데이터에서 중력파 신호를 발견하고 파동 정보를 추출한 수백 명의 LIGO 및 처녀 자리 과학자들에게 수여되었습니다. ”Thorne이 말했다. "노벨 재단의 법령으로 인해 경이로운 발견이 천 명 이상의 작품 일 때 상을 세 사람 이상에게 가져가는 것은 불행한 일입니다."
Barish는“이 상을 수상한 것은 겸손하고 영광입니다. “중력파의 탐지는 진정으로 현대의 대규모 실험 물리학의 승리입니다. 수십 년 동안 Caltech와 MIT의 우리 팀은 LIGO를 발견 한 매우 민감한 장치로 LIGO를 개발했습니다. 13 억 년 전에 발생한 두 개의 별 블랙홀 충돌로 인해 신호가 LIGO에 도달했을 때 1,000 명의 과학자 인 LIGO Scientific Collaboration은 몇 분 안에 후보 사건을 식별하고 중력파를 확실하게 입증하는 자세한 분석을 수행 할 수있었습니다. 있다."
앞으로 Advanved LIGO, Advanced Virgo 및 기타 중력파 관측소가 이제 막 시작되었습니다. 4 개의 개별 사건을 탐지 한 것 외에도, 최근의 연구에 따르면 중력파 탐지는 천문학적 및 우주 론적 연구를위한 새로운 경계를 열 수 있다고합니다.
예를 들어, 모나 쉬 천체 물리학 센터 (Monash Center for Astrophysics)의 한 연구팀의 최근 연구는 '고아 기억 (orphan memory)'이라는 이론적 개념을 제안했다. 그들의 연구에 따르면, 중력파는 시공간에 파동을 유발할뿐만 아니라 그 구조에 영구적 인 잔물결을 남깁니다. 과거 사건의“고아”를 연구함으로써, 중력파는 지구에 도달 할 때와 그들이 지나간 후에 오랫동안 연구 될 수 있습니다.
또한 8 월에 캘리포니아 대학교 어바인 우주 과학 센터 (University of Cosmology)의 천문학 자 팀이 블랙홀 합병이 생각보다 훨씬 흔하다는 연구 결과가 발표되었습니다. UCI 팀은 블랙홀을 계산하고 분류하기위한 우주를 조사한 후 은하에 1 억 개의 블랙홀이있을 수 있다고 결정했습니다.
또 다른 최근 연구에 따르면 Advanced LIGO, GEO 600 및 Virgo 중력파 검출기 네트워크를 사용하여 초신성에 의해 생성 된 중력파를 감지 할 수도 있습니다. 수명이 끝날 무렵에 폭발하는 별에 의해 생성 된 파동을 탐지함으로써 천문학 자들은 처음으로 무너지는 별의 심장 내부를보고 블랙홀 형성의 역학을 조사 할 수있었습니다.
노벨 물리학상은 과학자에게 수여 될 수있는 최고의 영예 중 하나입니다. 그러나 그보다 더 큰 것은 자신의 일로 인해 위대한 일이 생겼다는 지식입니다. Thorne, Weiss 및 Barish는 수십 년 동안 중력파 연구를 제안하고 검출기를 만들기 위해 노력해 왔으며 전 세계의 과학자들이 우주에 대한 생각을 혁명적으로 변화시키는 심오한 발견을하고 있습니다.
그리고이 과학자들이 확실히 증명 하듯이 지금까지 본 것은 빙산의 일각입니다. 어딘가에 아인슈타인도 자부심을 가지고 빛을 발하고 있다고 상상할 수 있습니다. 그의 일반 상대성 이론에 관한 다른 연구와 마찬가지로 중력파에 대한 연구는 한 세기가 지난 후에도 그의 예측이 여전히 진행되고 있음을 보여줍니다!
Barish와 Thorn이 성과를 인정한 Caltech 기자 회견의 비디오를 확인하십시오.
