과거에는 천문학 자들은 눈을 수용체로 사용하여 가시 광선에서만 하늘을 볼 수있었습니다. 그러나 중력 눈이 있다면 어떨까요? 아인슈타인은 우주에서 가장 극단적 인 물체와 사건이 중력파를 생성하고 주변의 공간을 왜곡해야한다고 예측했다. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (또는 LIGO)라는 새로운 실험은 이러한 중력파를 처음 감지 할 수 있습니다.
인터뷰 듣기 : 중력의 눈으로보기 (7.9 MB)
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프레이저 가인 : 좋아요, 중력 파란 무엇입니까?
Sam Waldman 박사 : 질량이 시공간을 왜곡한다는 것을 기억한다면 중력파를 설명 할 수 있습니다. 따라서 볼링 공을 팽팽하게 당기고 팽팽하게 당기는 시트의 비유를 기억하면 시트를 구부립니다. 여기서 볼링 공은 질량이고 시트는 시공간을 나타냅니다. 볼링 공을 앞뒤로 매우 빠르게 움직이면 시트에 잔물결이 생깁니다. 우리 우주의 대중들도 마찬가지입니다. 별을 매우 빠르게 앞뒤로 움직이면 시공간에 파문이 생깁니다. 그리고 시공간의 파문이 관찰됩니다. 우리는 그들을 중력파라고 부릅니다.
프레이저 : 이제 방을 돌아 다니면 중력파가 발생합니까?
왈 드먼 박사 : 좋습니다. 우리가 아는 한, 중력은 모든 규모와 모든 질량에서 작동하지만 시공간은 매우 뻣뻣합니다. 내 사무실을 통해 200 파운드의 자체 이동과 같은 것은 중력파를 일으키지 않습니다. 매우 큰 물체는 매우 빠르게 움직입니다. 중력파를 감지 할 때 태양 질량 물체를 찾고 있습니다. 특히 태양 질량이 1.5에서 3 사이 인 중성자 별을 검색합니다. 우리는 수백 개의 태양 덩어리까지 블랙홀을 찾습니다. 그리고 우리는이 물체들이 매우 빠르게 움직이는 것을 찾습니다. 중성자 별에 대해 이야기 할 때, 우리는 거의 빛의 속도로 움직이는 중성자 별에 대해 이야기하고 있습니다. 실제로, 그것은 빛의 속도로 진동해야하고, 움직일 수없고, 매우 빠르게 앞뒤로 흔들려 야합니다. 따라서 우리가 찾고있는 매우 독특하고 대규모의 대격변 시스템입니다.
프레이저 : 중력파는 순전히 이론적인가? 그들은 아인슈타인에 의해 예측되었지만 아직 보지 못했습니까?
왈 드먼 박사 : 관찰되지 않았으며 추론되었습니다. 중력파 방출과 일치하는 속도로 주파수가 회전하는 펄서 시스템이 있습니다. PSR 1913 + 16입니다. 그리고이 별의 궤도는 변하고 있습니다. 그것은 추론이지만, 물론 그것은 중력파를 직접 관찰하는 것이 아닙니다. 그러나 존재해야한다는 것은 분명합니다. 아인슈타인의 법칙이 존재한다면, 일반 상대성 이론이 효과가 있고 매우 많은 길이의 스케일에서 잘 작동한다면 중력파도 존재합니다. 그들은보기가 매우 어렵습니다.
프레이저 : 그것들을 감지하려면 무엇이 필요할까요? 그들은 매우 격변적인 사건 인 것 같습니다. 큰 검은 구멍과 중성자 별이 움직이며 왜 찾기가 어렵습니까?
Waldman 박사 : 두 가지 요소가 있습니다. 한 가지 이유는 블랙홀이 항상 충돌하지 않고 중성자 별이 오래된 장소에서 흔들리지 않는다는 것입니다. 따라서 관측 가능한 중력파를 유발할 수있는 사건의 수는 실제로 매우 적습니다. 예를 들어 우리는 은하계에 대해 이야기합니다. 30-50 년마다 한 가지 사건이 발생합니다.
그러나이 방정식의 다른 부분은 중력파 자체가 매우 작다는 것입니다. 그래서 그들은 우리가 긴장이라고 부르는 것을 소개합니다. 이는 단위 길이 당 길이 변화입니다. 예를 들어, 내가 1 미터 길이의 척도를 가지고 있고 그 중력파가 그 척도를 지나갈 때 뭉개 버릴 것입니다. 그러나 척도를 무너 뜨리는 수준은 매우 작습니다. 1 미터 척도를 가지고 있다면 10e-21 미터의 변화 만 유도 할 것입니다. 아주 작은 변화입니다. 물론 10e-21 미터를 관찰하는 것은 중력파를 관찰하는 데 큰 어려움이 있습니다.
프레이저 : 다른 척도로 척도의 길이를 측정하는 경우 다른 척도의 길이가 변경됩니다. 나는 어려운 것을 볼 수 있습니다.
Waldman 박사 : 정확합니다. 문제가 있습니다. 우리가 척도 문제를 해결하는 방법은 실제로 2 개의 척도를 가지고 L로 형성하는 것입니다. 그리고 그것들을 측정하는 방법은 레이저를 사용하는 것입니다. 그리고 우리가 척도를 배열 한 방식은 실제로 4km 길이의“L”입니다. 두 개의 팔이 있으며 각각 4km입니다. 그리고 각 팔 끝에 레이저를 반사시키는 4kg의 석영 테스트 질량이 있습니다. 그리고이 "L"형 검출기를 통해 중력파가 들어 오면 한쪽 다리는 늘어나고 다른 쪽 다리는 줄어 듭니다. 그리고 이것은 오디오 주파수 내에서 100 헤르츠라고합니다. 이 질량의 움직임을 들으면 100 헤르츠에서 윙윙 거리는 소리가 들립니다. 레이저로 측정하는 것은이 "L"자형 간섭계의 차동 암 길이입니다. 이것이 LIGO 인 이유입니다. 레이저 간섭계 중력파 관측소입니다.
프레이저 : 이것을 올바르게 이해하는지 봅시다. 수십억 년 전에 블랙홀이 다른 구멍과 충돌하여 많은 중력파를 생성합니다. 이 중력파는 우주를 가로 질러 지구를 씻습니다. 지구를 지나갈 때 팔 중 하나가 길어지고 다른 팔이 줄어들고 레이저가 앞뒤로 튀어 오르면서이 변화를 감지 할 수 있습니다.
왈 드먼 박사 : 그렇습니다. 물론 문제는 길이 변화가 매우 작다는 것입니다. 4km 간섭계의 경우 지금 측정하는 길이 변화는 10e-19 미터입니다. 그리고 그 크기를 조절하기 위해 원자핵의 직경은 10e-15 미터에 불과합니다. 우리의 감도는 아 원자입니다.
프레이저 :이 시점에서 어떤 종류의 이벤트를 감지 할 수 있습니까?
왈 드먼 박사 : 정말 흥미로운 곳입니다. 우리가 사용하고 싶은 비유는 전파로 우주를 보는 것과 망원경으로 우주를 보는 것과 같습니다. 당신이 보는 것은 완전히 다릅니다. 당신은 완전히 다른 우주 체제에 민감합니다. 특히, LIGO는 이러한 격변 적 사건에 민감합니다. 우리는 이벤트를 4 가지 범주로 분류합니다. 우리가 버스트라고 부르는 첫 번째 것은 블랙홀 형성과 같습니다. 초신성 폭발이 일어나고 많은 물질이 너무 빨리 움직여 블랙홀을 형성하지만 중력파의 모양을 모릅니다. 아시다시피 중력파가 있다는 것입니다. 이것이 매우 빠르게 일어나는 일입니다. 그들은 최대 100 밀리 초 동안 지속되며 블랙홀이 형성됩니다.
우리가 보는 또 다른 사건은 두 물체가 서로 궤도에있을 때입니다. 결국 그 궤도의 직경은 쇠퇴합니다. 중성자 별은 합쳐지고 서로 빠지고 블랙홀을 형성합니다. 그리고 마지막 몇 개의 궤도에서, 중성자 별 (무게가 태양 질량이 1.5 ~ 3 인 물체임을 명심하십시오)은 빛의 속도의 큰 부분에서 움직이고 있습니다. 빛의 속도의 10 %, 20 %를 말합니다. 그리고 그 운동은 매우 효율적인 중력파 생성기입니다. 이것이 우리가 표준 양초로 사용하는 것입니다. 그것이 우리가 존재한다고 생각하는 것입니다. 우리는 그들이 저 밖에 있다는 것을 알고 있지만, 한 번에 얼마나 많은 사람들이 떠나고 있는지 확실하지 않습니다. 우리는 나선형의 중성자 별이 광파에서 무선파 또는 x- 레이에서 어떻게 보이는지 확실하지 않습니다. 따라서 얼마나 자주 inspiral 또는 supernova를 볼 수 있는지 정확하게 계산하기는 약간 어렵습니다.
프레이저 : 이제 방향을 감지 할 수 있습니까?
Waldman 박사 : 두 개의 간섭계가 있습니다. 실제로 2 개의 사이트와 3 개의 간섭계가 있습니다. 하나의 간섭계는 뉴 올리언스 북쪽에있는 리빙스턴 루이지애나에 있습니다. 그리고 다른 간섭계는 워싱턴 주 동부에 있습니다. 두 개의 간섭계가 있기 때문에 하늘에서 삼각 측량을 수행 할 수 있습니다. 그러나 정확히 출처가 어디인지에 대한 불확실성이 남아 있습니다. 우리는 독일, 이탈리아 및 일본에서 매우 긴밀하게 협력하고 있으며 감지기도 있습니다. 따라서 여러 사이트의 여러 탐지기가 중력파를 발견하면 현지화에 매우 효과적입니다. 우리는 중력파를보고 그것이 어디에서 오는지 알고 싶습니다. 그런 다음 전파 천문학 자 동료와 엑스레이 천문학 자 동료, 광학 천문학 자 동료에게 하늘의 해당 부분을 보도록 지시합니다.
프레이저 : 수평선에 새로운 대형 망원경이 있습니다. 압도적으로 크고 엄청나게 큰, 그리고 Magellan… 큰 망원경은 상당히 많은 예산으로 파이프를 내려갑니다. 중력파를 안정적으로 찾을 수 있다고 가정 해 봅시다. 탐지에 새로운 스펙트럼을 추가하는 것과 거의 같습니다. 이 중력파 검출기 중 일부에 많은 예산을 투입했다면 어떤 용도로 사용할 수 있다고 생각하십니까?
Waldman 박사 : 글쎄, 앞에서 말했듯이 전파 망원경이 처음 온라인에 등장했을 때의 천문학의 혁명과 같습니다. 우리는 근본적으로 다른 종류의 현상을보고 있습니다. LIGO 실험실은 상당히 큰 실험실이라고 말해야합니다. 우리는 150 명 이상의 과학자들이 일하고 있으므로 큰 협력입니다. 우리는 앞으로 모든 광학 및 무선 천문학 자들과 협력하기를 희망합니다. 그러나 과학이 어떤 길을 택할지는 예측하기가 약간 어렵습니다. 많은 일반 상대 론자들과 이야기한다면 중력파의 가장 흥미로운 특징은 우리가 강력한 장 일반 상대성 이론을하고 있다는 것입니다. 그것은 당신이 별과 은하를보고 측정 할 수있는 모든 일반 상대성 이론은 매우 약합니다. 많은 질량이 필요하지 않고 빠르게 움직이지 않습니다. 아주 먼 거리에 있습니다. 블랙홀과 중성자 별의 충돌에 대해 이야기 할 때, 중성자 별이 블랙홀에 떨어질 때 마지막 비트는 매우 폭력적이며 일반적인 상대성 영역을 조사합니다. 일반 망원경, 라디오, 엑스레이로 접근 할 수 있습니다. 희망은 근본적으로 새롭고 흥미로운 물리학이 있다는 것입니다. 이것이 우리에게 가장 동기를 부여하는 것은 일반 상대성 이론을 재미있게 부르는 것입니다.
프레이저 : 언제 첫 탐지를 원하십니까?
Waldman 박사 : LIGO가 작동하는 LIGO 간섭계 (3 개의 간섭계)는 모두 설계 감도에서 작동하고 있으며 현재 S5 실행 중입니다. 우리의 5 번째 과학 런은 1 년 동안 진행됩니다. 우리가 일년 동안하는 일은 중력파를 찾는 것입니다. 천문학의 많은 것들과 마찬가지로, 대부분은 기다립니다. 초신성이 폭발하지 않으면 물론 그것을 볼 수 없습니다. 따라서 가능한 오랫동안 온라인 상태를 유지해야합니다. 초신성 이벤트와 같은 이벤트를 관찰 할 가능성은 현재의 민감도에서 10-20 년마다 하나씩 나타날 것으로 생각됩니다. 넓은 범위가 있습니다. 문헌에는 우리가 일년에 여러 번 볼 것이라고 주장하는 사람들이 있으며, 그런 다음 우리가 우리의 감도에 대해 전혀 볼 수 없다고 주장하는 사람들이 있습니다. 그리고 보수적 인 중도는 10 년에 한 번입니다. 반면에 이번 실행이 끝나는 즉시 탐지기를 업그레이드하고 있습니다. 또한 감도를 2 배로 향상시켜 탐지율을 2 제곱으로 증가시킵니다. 감도는 반지름이므로 공간의 부피를 조사하고 있습니다. 8-10의 탐지율로 매년 약 1 회 정도 이벤트가 발생합니다. 그런 다음 고급 LIGO로 업그레이드하여 감도를 10 배 향상시킵니다. 이 경우 우리는 거의 하루에 한 번 정도 중력파를 보게 될 것입니다. 2-3 일마다. 이 계측기는 매우 실제적인 도구로 설계되었습니다. 우리는 중력 천문학을하고 싶습니다. 며칠마다 이벤트를 볼 수 있습니다. 스위프트 위성을 발사하는 것과 같습니다. Swift가 시작하자마자 우리는 항상 감마선 버스트를보기 시작했고 Advanced LIGO도 비슷할 것입니다.
