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레이저 간섭계 중력파 관측소: 두 판 사이의 차이

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1994년, 관련 NSF 직원, LIGO의 과학 지도자, MIT와 칼텍 총장 간의 협의 끝에 보그트는 물러나고 [[배리 배리시]](칼텍)가 연구소장으로 임명되었고,<ref name="NSF"/><ref name="Cook"/><ref>{{cite journal |last= Anderson|first= Christopher|date= 11 March 1994 |title= LIGO director out in shakeup |journal= Science |volume= 263|issue= 5152|pages= 1366|doi= 10.1126/science.263.5152.1366|pmid= 17776497|bibcode= 1994Sci...263.1366A}}</ref> NSF는 LIGO에 마지막 지원 기회가 있음을 분명히 했다.<ref name="cohen"/> 배리쉬의 팀은 이전 제안보다 40% 초과하는 예산으로 새로운 연구, 예산 및 프로젝트 계획을 수립했다. 배리쉬는 NSF와 국립과학위원회에 초기 LIGO로 중력파를 검출할 수 있고, 발전된 LIGO로 중력파를 검출할 수 있는 진화형 검출기로서 LIGO를 건설할 것을 제안했다.<ref name="Nature_2014_July_14">{{citation |title=Physics: Wave of the future|journal=Nature |volume=511 |issue=7509 |pages=278–81 |first=Alexandra |last=Witze|date=16 July 2014 |bibcode=2014Natur.511..278W |doi=10.1038/511278a |pmid=25030149 |doi-access=free }}</ref> 이 새로운 제안은 NSF의 지원을 받았고, 배리쉬는 [[w:Principal investigator|연구 책임자{Principal investigator}]]로 임명되었으며, 예산 증액이 승인되었다. 1994년, 3억 9,500만 달러의 예산이 투입된 LIGO는 역사상 가장 많은 자금이 지원된 NSF 프로젝트로 기록되었다. 이 프로젝트는 1994년 말 워싱턴주 핸포드에서, 1995년 루이지애나주 리빙스턴에서 착공되었다. 1997년 완공이 임박하면서 배리쉬의 지휘 아래 두 개의 조직 기관, 즉 LIGO 실험실과 LIGO 과학 협력(LSC)가 설립되었다. LIGO 연구소는 LIGO 운영 및 고급 R&D에 따라 NSF가 지원하는 시설로 구성되어 있으며, 여기에는 LIGO 검출기 및 테스트 시설의 관리가 포함된다. LIGO 과학 협력은 LIGO의 기술 및 과학 연구를 조직하기 위한 포럼이다. LIGO 연구소와 별개의 조직으로 자체적인 감독을 받는다. 바리쉬는 와이스를 이 과학 협력의 첫 번째 대변인으로 임명했다.<ref name="NSF"/><ref name="jeffery"/>
=== 관측 시작 ===
=== 관측 시작 ===
2002년부터 2010년까지의 초기 LIGO 운영에서는 중력파를 감지하지 못했다. 2004년, 배리시의 지휘 아래 다음 단계의 LIGO 개발("향상된 LIGO")을 위한 자금과 토대가 마련되었다. 그 후 수년간의 가동 중단이 있었고, 검출기는 훨씬 개선된 "진보된 LIGO" 버전으로 교체되었다.[38][39] LIGO/aLIGO 기계의 연구 개발 작업의 대부분은 독일 하노버의 GEO600 검출기를 위한 선구적인 작업을 기반으로 했다.[40][41] 2015년 2월까지 두 곳에서 검출기가 엔지니어링 모드로 전환되었다.[42]
2002년부터 2010년까지의 초기 LIGO 운영에서는 중력파를 감지하지 못했다. 2004년, 배리시의 지휘 아래 다음 단계의 LIGO 개발("향상된 LIGO")을 위한 자금과 토대가 마련되었다. 그 후 수년간의 가동 중단이 있었고, 검출기는 훨씬 개선된 "진보된 LIGO" 버전으로 교체되었다.<ref>{{cite web| title=Gravitational wave detection a step closer with Advanced LIGO| url=http://spie.org/newsroom/technical-articles/videos/ligo-hanford-spie-video| publisher=SPIE Newsroom| access-date=4 January 2016}}</ref><ref>{{cite web|title=Daniel Sigg: The Advanced LIGO Detectors in the era of First Discoveries|url=http://spie.org/x120637.xml|publisher=SPIE Newsroom|access-date=9 September 2016}}</ref> LIGO/aLIGO 기계의 연구 개발 작업의 대부분은 독일 하노버의 [[w:GEO600|GEO600]] 검출기를 위한 선구적인 작업을 기반으로 했다.<ref name="GEO600 a precursor">{{cite news |last=Ghosh |first=Pallab |url=https://www.bbc.com/news/science-environment-35524440 |title=Einstein's gravitational waves 'seen' from black holes |work=BBC News |date=11 February 2016 |access-date=18 February 2016 }}</ref><ref name="mpg2016">{{cite web |title=Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction |url=https://www.mpg.de/9953360/gravitational-waves-detected |website=www.mpg.de |publisher=Max-Planck-Gelschaft |access-date=3 September 2018 |language=en}}</ref> 2015년 2월까지 두 곳에서 검출기가 엔지니어링 모드로 전환되었다.<ref>{{cite web |title=LIGO Hanford's H1 Achieves Two-Hour Full Lock |url=https://www.advancedligo.mit.edu/feb_2015_news.html |date=February 2015 |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20150922064706/https://www.advancedligo.mit.edu/feb_2015_news.html |archive-date=22 September 2015 }}</ref>


2015년 9월 중순까지 "세계 최대의 중력파 시설"은 총 6억 2천만 달러의 비용으로 5년 동안 2억 달러의 정밀 검사를 완료했다.[9][43] 2015년 9월 18일 진보된 LIGO는 초기 LIGO 간섭계 감도의 약 4배로 첫 공식 과학 관측을 시작했다.[44] 감도는 2021 년경 설계 감도에 도달 할 때까지 더욱 향상될 예정이었다.[45]
2015년 9월 중순까지 "세계 최대의 중력파 시설"은 총 6억 2천만 달러의 비용으로 5년 동안 2억 달러의 정밀 검사를 완료했다.<ref name="Nature_2015_Sept_15">{{citation |title=Hunt for gravitational waves to resume after massive upgrade: LIGO experiment now has better chance of detecting ripples in space-time|journal=Nature |volume=525 |issue=7569 |pages=301–302 |first=Davide |last=Castelvecchi|date=15 September 2015 |doi=10.1038/525301a |pmid=26381963 |bibcode=2015Natur.525..301C |doi-access=free }}</ref><ref>{{cite magazine |first=Sarah |last=Zhang |title=The Long Search for Elusive Ripples in Spacetime |magazine=Wired |url=https://www.wired.com/2015/09/long-search-elusive-ripples-spacetime |date=15 September 2015}}</ref> 2015년 9월 18일 진보된 LIGO는 초기 LIGO 간섭계 감도의 약 4배로 첫 공식 과학 관측을 시작했다.<ref>{{cite news |last=Amos |first=Jonathan |title=Advanced Ligo: Labs 'open their ears' to the cosmos |url=https://www.bbc.com/news/science-environment-34298363 |journal=BBC News |date=19 September 2015 |access-date=19 September 2015}}</ref> 감도는 2021년경 설계 감도에 도달할 때까지 더욱 향상될 예정이었다.<ref name="LIGO_dec_2015">{{cite web| title=Planning for a bright tomorrow: prospects for gravitational-wave astronomy with Advanced LIGO and Advanced Virgo| url=http://www.ligo.org/science/Publication-ObservingScenario/index.php| publisher=[[LIGO Scientific Collaboration]] |access-date=31 December 2015 |date=23 December 2015}}</ref>


== 시설과 방법 ==
== 시설과 방법 ==

2024년 1월 28일 (일) 20:52 판

레이저 간섭계 중력파 관측소
진보된 LIGO의 첫 관측 실행(O1) 당시
LIGO 리빙스턴 제어실 모습
다른 명칭LIGO
위치미국 워싱턴주 핸포드 및
루이지애나주 리빙스턴
좌표LIGO 핸포드 관측소
북위 46° 27′ 18.52″ 서경 119° 24′ 27.56″ / 북위 46.4551444° 서경 119.4076556°  / 46.4551444; -119.4076556 (LIGO Hanford Observatory)
LIGO 리빙스턴 관측소
북위 30° 33′ 46.42″ 서경 90° 46′ 27.27″ / 북위 30.5628944° 서경 90.7742417°  / 30.5628944; -90.7742417 (LIGO Livingston Observatory)
관리기관LIGO 과학협력
파장43 km (7.0 kHz)-10,000 km (30 Hz)
건설1994–2002
퍼스트 라이트2002년 8월 23일
망원경 종류중력파 검출기
길이4,000 m (13,123 ft 4 in)
웹사이트https://www.ligo.caltech.edu/
레이저 간섭계 중력파 관측소은(는) 미국 안에 위치해 있다
핸포드 관측소
핸포드
관측소
리빙스턴 관측소
리빙스턴
관측소
class=notpageimage|
LIGO 관측소의 위치, 미국 본토
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레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO)는 우주 중력파를 검출하고 중력파 관측을 천문학적 도구로 개발하기 위해 설계된 대규모 물리학 실험 및 관측소이다.[1] 레이저 간섭계로 중력파를 검출하기 위해 미국에 두 개의 대형 관측소가 건설되었다. 이 관측소들은 4km 간격의 거울을 사용하여 양성자 전하 직경(charge radius)의 1만 분의 1 미만의 변화를 감지할 수 있다.[2]

초기 LIGO 관측소는 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 칼텍과 MIT가 구상, 건설 및 운영을 했다.[3][4] 2002년부터 2010년까지 데이터를 수집했지만 중력파는 검출되지 않았다.

기존 LIGO 검출기를 개선하기 위한 진보된 LIGO 프로젝트는 2008년에 시작되어 영국의 과학기술 시설 위원회(Science and Technology Facilities Council), 독일의 막스 플랑크 협회 및 오스트레일리아 연구위원회(Australian Research Council)의 중요한 기여로 NSF의 지원을 받고 있다.[5][6] 개선된 검출기는 2015년에 가동되기 시작했다. 중력파 검출은 여러 대학과 연구 기관의 과학자들이 국제적으로 참여한 LIGO 과학 협력(LIGO Scientific Collaboration LSC)와 VIRGO 협력에 의해 2016년에 보고되었다. 이 프로젝트와 중력파 천문학 데이터 분석에 참여한 과학자들은 전 세계 1,000명 이상의 과학자,[7][8][9] 2016년 12월 기준 44만 명의 Einstein@Home 활성 사용자[10]를 포함하는 LSC가 조직하고 있다.[10]

LIGO는 NSF가 자금을 지원한 가장 크고 야심찬 프로젝트이다.[11][12] 2017년 노벨 물리학상은 라이너 바이스, 킵 손 및 배리 C. 배리시에게 "LIGO 검출기와 중력파 관측에 결정적인 기여를 한 공로"로 수여되었다.[13]

관측은 "실행"으로 이루어진다. 2022년 1월 현재 LIGO는 세 번의 실행 (실행 중 하나는 두 개의 "하위 실행"으로 나뉨)을 수행하여 90건의 중력파를 탐지했다.[14][15] 검출기의 유지 보수 및 업그레이드는 실행 사이에 이루어진다. 2015년 9월 12일부터 2016년 1월 19일까지 실행 된 첫 번째 실행인 O1은 처음 세 번의 탐지를 수행했으며 모두 블랙홀 병합이었다. 두 번째 실행인 O2는 2016년 11월 30일부터 2017년 8월 25일까지 8회, 7개의 블랙홀 병합 및 최초의 중성자별 병합을 탐지했다.[16] 세 번째 실행인 O3는 2019년 4월 1일에 시작되었으며 2019년 4월 1일부터 9월 30일까지 O3a, 2019년 11월 1일까지 O3b로 나누어졌다.[17] 코로나19로 인해 2020년 3월 27일에 중단될 때까지,[18] O3 실행에서 중성자별과 블랙홀의 병합을 처음으로 탐지했다.[15]

중력파 관측소인 LIGO, 이탈리아의 VIRGO, 일본의 KAGRA는 코로나로 인한 중단 이후에도 관측을 계속하기 위해 협력하고 있으며, 라이고의 O4 관측은 2023년 5월 24일에 시작되었다.[19][20] LIGO는 쌍성 중성자별 병합의 감도 목표를 160-190Mpc로 예상한다(민감도: VIRGO 80-115Mpc, KAGRA 1Mpc 이상).[21]

역사

배경

LIGO 핸포드 관측소
LIGO 리빙스턴 관측소

LIGO의 개념은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론의 한 요소인 중력파의 존재를 테스트하기 위한 많은 과학자들의 초기 연구를 기반으로 구축되었다. 1960년대부터 조셉 웨버Joseph Weber를 비롯한 미국 과학자들과 소련 과학자 미하일 게르첸슈타인Mikhail Gertsenshtein과 블라디슬라프 푸스토비트Vladislav Pustovoit는 레이저 간섭계의 기본 아이디어와 프로토타입을 구상했고,[22][23] 1967년 MIT의 라이너 와이스는 간섭계 사용에 대한 분석을 발표하고 군 자금으로 프로토타입 제작을 시작했지만 작동하기 전에 종료되었다.[24] 1968년부터 킵 손은 칼텍에서 중력파와 그 근원에 대한 이론적 연구를 시작했고, 중력파 탐지가 결국 성공할 것이라고 확신했다.[22]

프로토 타입 간섭계 중력파 검출기(간섭계)는 1960년대 후반 휴즈 연구소(Hughes Research Laboratories)의 로버트 L. 포워드Robert L. Forward와 동료들에 의해 (자유 스윙이 아닌 진동 절연판에 거울을 장착한), 1970년대 (빛이 여러 번 반사되는 자유 스윙 거울 사용) MIT의 와이즈, 그런 다름에 독일 가칭의 하인즈 빌링Heinz Billing과 동료들, 그런 다음에 스코틀랜드 글래스고의 로널드 드레버Ronald Drever, 제임스 휴James Hough와 동료들에 의해 만들어졌다.[25]

1980년 NSF는 MIT(폴 린제이Paul Linsay, 피터 사울슨Peter Saulson, 라이너 바이스)가 주도한 대형 간섭계 연구에 자금을 지원했고, 이듬해 칼텍은 40미터 프로토타입을 제작했다(로널드 드레버, 스탠 휘트콤Stan Whitcomb). MIT 연구는 적절한 감도를 가진 1km 규모의 간섭계가 가능하다는 것을 입증했다.[22][26].

NSF의 압력에 따라 MIT와 칼텍은 MIT 연구와 칼텍, MIT, 글래스고 및 가칭의 실험 작업을 기반으로 한 LIGO 프로젝트를 이끌기 위해 힘을 합쳐야 한다는 요청을 받았다. 드레버, 손, 와이스는 1984년과 1985년에 연구비 지원을 거절당했지만 LIGO 운영위원회를 구성했다. 1986년, 그들은 운영위원회를 해체하라는 요청을 받았고, 로커스 보그트Rochus Eugen Vogt(칼텍)가 단 한 명의 이사로 임명되었다. 1988년, 연구 개발 제안으로 자금이 확보되었다.[22][26][27][28][29][30]

1989년부터 1994년까지 LIGO는 기술적으로나 조직적으로 발전하지 못했다. 정치적 노력 만이 계속해서 자금을 확보했다.[22][31] 지속적인 자금 지원은 1991년 미국 의회가 첫해에 LIGO에 2,300만 달러에 자금을 지원하기로 합의할 때까지 일상적으로 거부되었다. 그러나 자금 지원을 받기위한 요구 사항이 충족되거나 승인되지 않았고 NSF는 프로젝트의 기술적 및 조직적 기반에 의문을 제기했다.[27][28] 1992년까지 LIGO는 더 이상 직접 참여하지 않은 상태에서 구조 조정되었다.[22][31][32][33] 지속적인 프로젝트 관리 문제와 기술적 우려가 프로젝트에 대한 NSF 검토에서 밝혀져 1993년에 공식적으로 지출을 동결할 때까지 자금이 보류되었다.[22][31][34][35]

1994년, 관련 NSF 직원, LIGO의 과학 지도자, MIT와 칼텍 총장 간의 협의 끝에 보그트는 물러나고 배리 배리시(칼텍)가 연구소장으로 임명되었고,[22][32][36] NSF는 LIGO에 마지막 지원 기회가 있음을 분명히 했다.[31] 배리쉬의 팀은 이전 제안보다 40% 초과하는 예산으로 새로운 연구, 예산 및 프로젝트 계획을 수립했다. 배리쉬는 NSF와 국립과학위원회에 초기 LIGO로 중력파를 검출할 수 있고, 발전된 LIGO로 중력파를 검출할 수 있는 진화형 검출기로서 LIGO를 건설할 것을 제안했다.[37] 이 새로운 제안은 NSF의 지원을 받았고, 배리쉬는 연구 책임자{Principal investigator}로 임명되었으며, 예산 증액이 승인되었다. 1994년, 3억 9,500만 달러의 예산이 투입된 LIGO는 역사상 가장 많은 자금이 지원된 NSF 프로젝트로 기록되었다. 이 프로젝트는 1994년 말 워싱턴주 핸포드에서, 1995년 루이지애나주 리빙스턴에서 착공되었다. 1997년 완공이 임박하면서 배리쉬의 지휘 아래 두 개의 조직 기관, 즉 LIGO 실험실과 LIGO 과학 협력(LSC)가 설립되었다. LIGO 연구소는 LIGO 운영 및 고급 R&D에 따라 NSF가 지원하는 시설로 구성되어 있으며, 여기에는 LIGO 검출기 및 테스트 시설의 관리가 포함된다. LIGO 과학 협력은 LIGO의 기술 및 과학 연구를 조직하기 위한 포럼이다. LIGO 연구소와 별개의 조직으로 자체적인 감독을 받는다. 바리쉬는 와이스를 이 과학 협력의 첫 번째 대변인으로 임명했다.[22][27]

관측 시작

2002년부터 2010년까지의 초기 LIGO 운영에서는 중력파를 감지하지 못했다. 2004년, 배리시의 지휘 아래 다음 단계의 LIGO 개발("향상된 LIGO")을 위한 자금과 토대가 마련되었다. 그 후 수년간의 가동 중단이 있었고, 검출기는 훨씬 개선된 "진보된 LIGO" 버전으로 교체되었다.[38][39] LIGO/aLIGO 기계의 연구 개발 작업의 대부분은 독일 하노버의 GEO600 검출기를 위한 선구적인 작업을 기반으로 했다.[40][41] 2015년 2월까지 두 곳에서 검출기가 엔지니어링 모드로 전환되었다.[42]

2015년 9월 중순까지 "세계 최대의 중력파 시설"은 총 6억 2천만 달러의 비용으로 5년 동안 2억 달러의 정밀 검사를 완료했다.[9][43] 2015년 9월 18일 진보된 LIGO는 초기 LIGO 간섭계 감도의 약 4배로 첫 공식 과학 관측을 시작했다.[44] 감도는 2021년경 설계 감도에 도달할 때까지 더욱 향상될 예정이었다.[45]

시설과 방법

각 시설에는 90도 각도로 놓은 길이 4km, 지름 1.2m의 다리 시설 두개를 지니고 있다. 다리 시설은 내부가 진공이며 외부가 콘크리트 보호 터널로 둘러싸여 있다. 블랙홀 충돌로 발생한 강한 중력파는 퍼지면서 시공간에 파동을 일으킨다. 레이저를 수직인 두 다리의 방향으로 분리시켜 보내고 반사되어 온 빛을 모아 변화된 경로를 분석해 시공간의 파동을 측정한다. 빛은 파동이므로 갈라졌다 합성되면 위상의 어긋남으로 생기는 간섭 현상을 탐지할 수 있게 된다. 이 방식을 3,000km 떨어진 핸포드와 리빙스턴 두 관측소에서 동시에 실행하여 다른 위치에 따른 미세한 시차로 파원 방향을 추정하고, 가짜 신호도 거른다. 이 관측소는 약 10억 광년 거리의 중성자별 충돌과 약 30억 광년 거리의 블랙홀 충돌에 따른 중력파를 검출할 수 있다. [46]

성과

 이 부분의 본문은 중력파 관측입니다.

2016년 2월 11일, 관측소의 연구진과 버고 합동연구진은 중력파를 최초로 관측하는데 성공했음을 발표했다. 알베르트 아인슈타인 연구소의 물리학자 마르코 드라고[47]는 2015년 9월 14일에 검출한 파형이 한쌍의 블랙홀 병합으로 형성된 단일 블랙홀 신호에 대한 일반상대론 예측과 일치하는 것을 확인하였다. 이 신호에는 'GW150914'라는 명칭이 붙여졌다. 이는 블랙홀 쌍성 병합을 관측한 첫 사례로, 항성질량 블랙홀 쌍성계의 존재와 그들의 병합이 최근의 우주에도 발생하고 있음을 보여줄뿐만아니라 두 블랙홀의 병합을 통한 블랙홀의 거대 확장이 가능하다는 중요한 사실을 보여주고있다.

  • 핸포드 관측소의 북쪽 다리
    핸포드 관측소의 북쪽 다리
  • 핸포드 관측소의 남쪽 다리
    핸포드 관측소의 남쪽 다리
  • GW150914의 관측과 예측 비교
    GW150914의 관측과 예측 비교

2015년 9월 두 개의 블랙홀이 병합해 하나의 거대 신생 블랙홀을 확인하는 'GW150914'의 업적 등으로 레이 와이스(Rainer Weiss)와 킵 손, 그리고 배리 배리시(Barry Barish)는 2017년10월 그 공로로 노벨물리학상을 받았다.

같이 보기

Portal icon물리학 포털
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각주

  1. ↑ Barish, Barry C.; Weiss, Rainer (October 1999). “LIGO and the Detection of Gravitational Waves”. 《Physics Today》 52 (10): 44. Bibcode:1999PhT....52j..44B. doi:10.1063/1.882861. 
  2. ↑ “Facts”. 《LIGO》. 2017년 7월 4일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 8월 24일에 확인함. This is equivalent to measuring the distance from Earth to the nearest star to an accuracy smaller than the width of a human hair!  (that is, to Proxima Centauri at 4.0208×1013  km).
  3. ↑ “LIGO Lab Caltech MIT”. 2016년 6월 24일에 확인함. 
  4. ↑ “LIGO MIT”. 2016년 6월 24일에 확인함. 
  5. ↑ “Major research project to detect gravitational waves is underway”. 《University of Birmingham News》. University of Birmingham. 2015년 11월 28일에 확인함. 
  6. ↑ Shoemaker, David (2012). “The evolution of Advanced LIGO” (PDF). 《LIGO Magazine》 (1): 8. 
  7. ↑ “Revolutionary Grassroots Astrophysics Project "Einstein@Home" Goes Live”. 2016년 3월 3일에 확인함. 
  8. ↑ “LSC/Virgo Census”. 《myLIGO》. 2015년 11월 28일에 확인함. 
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