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- 중력파는 수십억 광년을 이동할 만큼 강력. 지구에 도달할 무렵에는 그 진폭이 아원자 크기
- LIGO를 비롯한 중력파 검출기에 사용되는 도구는 소위 레이저 간섭
- 페브리-페로 거울을 통해 레이저 광자가 이동하는 거리가 4km에서 약 1,200km로 늘어나
- 이탈리아의 Virgo와 일본의 KAGRA, 두 개의 중력파 관측소가 추가로 운영.
- 미국에 두 대의 LIGO 검출기와 함께 측정

중력파는 어떻게 감지될까?: 레이저 간섭계의 원리

우리 눈에는 보이지 않고 감지할 수 없지만, 우주 전체에 스며들어 있다. 중력파는 너무나 특이한 현상이어서 오랫동안 그 존재 여부조차 불분명했다. 다른 거의 모든 우주 현상과 달리, 이 파동은 전자기파나 감지 가능한 입자로 구성되어 있지 않다. 이 파동에서 진동하는 것은 시공간 그 자체, 즉 우주의 모든 물체가 내재되어 있는 무형의 매트릭스다. 

▲ 중력파는 수십억 광년을 이동할 만큼 강력하다. 하지만 지구에 도달할 무렵에는 그 진폭이 아원자 크기로 줄어든다. © peterschreiber.media/ Getty images

원자 지름의 십만 분의 1

하지만 이러한 시공간적 진동은 어떻게 나타날까? 원칙적으로 중력파의 효과는 매우 약한 지진과 유사하다. 시공간 진동이 지구 전체에 스며들어 미세한 진동을 생성한다. 그로 인해 지표면은 압축과 팽창을 반복한다. 그러나 지진과는 달리, 이러한 진동의 진폭은 아원자 규모다. 수 킬로미터의 거리는 원자 지름의 10만 분의 1도 채 변하지 않는다.

이러한 미세한 진동을 측정하는 것은 매우 어려운 일이다. 수십 년 동안 중력파를 감지할 수 있을지는 불확실했다. 그러나 한 가지 분명한 것은 이러한 미묘한 변동을 포착하려면 그에 상응하는 긴 측정 경로가 필요하다는 것이다. 그래야만 아원자 변동이 감지 가능한 지점까지 누적된다. 또한 측정 경로 길이의 미세한 변화를 기록할 수 있는 "자"도 필요하다.

분할된 레이저 빔을 "자"로 사용

LIGO를 비롯한 중력파 검출기에 사용되는 도구는 소위 레이저 간섭계다. 이 간섭계에서 분할된 레이저 빔은 매우 높은 분해능의 "자" 역할을 한다. 구체적으로, 예를 들어 LIGO 검출기는 서로 직각으로 배치된 각각 4km 길이의 두 개의 측정 터널로 구성된다. 두 빔의 공통 시작점에는 강력한 레이저가 있는데, 이 레이저의 간섭광은 반투명 거울에 의해 두 개의 부분 빔으로 분리되어 각각 별도의 터널로 유도된다. 이 두 측정 빔에서 나온 빛은 정확히 동일한 위상과 주파수로 진동한다.

터널 끝에서 거울은 레이저 빔을 반사시켜 시작점에서 다시 만나 광센서에 의해 감지되도록 한다. 이 시스템의 놀라운 점은 두 레이저 빔이 만날 때 서로 상쇄되도록 보정되어 있다는 것이다. 한 빔의 골이 같은 높이의 다른 빔의 마루와 정확히 일치하기 때문에 간섭이 상쇄된다.

▲ 중력파 검출기의 원리: 두 부분 빔의 간섭을 통해 검출기 경로가 중력파에 의해 변경되는지 여부를 알 수 있다. © scinexx spiegel:r거울, halbdurchlaessiger Spiegel 반투과거울, Detector 탐지

그러나 중력파가 두 측정 영역을 통과하면 이러한 현상이 변한다. 두 측정 영역은 서로 수직이기 때문에 진동에 의해 서로 다르게 압축되고 늘어난다. 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)의 리 맥컬러(Lee McCuller)는 "이로 인해 레이저 빔이 비동기화된다"며 "두 빔이 만나면 결합된 빛이 눈에 보이는 간섭 패턴을 생성한다"고 말했다. 이 미묘한 깜빡임 패턴의 특징은 중력파를 드러내고 그 기원에 대한 단서를 제공한다.

거울 트릭

그러나 실제로는 LIGO 검출기의 4km 길이의 측정 경로조차도 중력파의 미세한 진동을 포착하기에 충분하지 않다. 따라서 LIGO 협력 연구진은 부분적으로 투명한 거울을 추가로 사용한다. 이른바 패브리-페로(Fabry-Perot) 거울이라고 불리는 이 거울은 측정 경로의 시작 부분에 위치하며, 끝 거울과 함께 거울들을 일종의 거울 홀, 즉 광학 공진기로 변환한다. 입사 레이저는 두 거울 사이에서 수백 번 반사된다. 거울은 중력파와 같은 빛의 위상이 변할 때만 투명해진다.

LIGO 협력 연구진은 "이 구성에는 두 가지 기능이 있다"고 설명한다. "첫째, 간섭계에서 레이저 빛을 증폭시켜 감도를 높인다. 더 많은 광자가 검출을 용이하게 한다." 이를 통해 약 40Watt의 입력 레이저 전력이 750kw 이상의 레이저 빔으로 변환된다. 물리학자들은 "둘째, 레이저 광자가 이동하는 거리가 4km에서 약 1,200km로 늘어난다"고 설명했다. 이는 중력파의 미세한 진동을 더욱 증폭시켜 검출기의 감도를 높인다.

▲ LIGO 측정부의 거울은 레이저 증폭기와 필터 역할을 모두 수행한다. © Caltech/MIT/LIGO Lab, Matt Heintze

이러한 구성을 통해 연구팀은 블랙홀에서 발생하는 최초의 중력파와 최초의 중성자별 충돌을 감지할 수 있었다.

퀀텀 프레스(Quantenpresse)

하지만 그게 전부는 아니다. 중력파 검출기의 또 다른 문제는 양자 잡음이다. 이는 레이저 빔의 광자에 영향을 미치고 결맞는 질서를 교란시키는 양자 수준의 변동으로 인해 발생한다. 결과적으로 빛 입자는 간섭계의 광검출기에 잡음을 내며 도달한다. 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 네르기스 마발발라는 "이 양자 잡음은 간섭계에서 측정할 때 발생하는 팝콘 튀는 소리와 유사하여 측정을 어렵게 만든다"고 설명했다.

2019년부터 "퀀텀 프레스"는 해결책을 제시해 왔다. 특수 광학 특성을 가진 결정과 여러 개의 거울로 구성된 이 구조는 레이저 광 위상의 교란을 일으키는 양자 잡음, 즉 검출에 필요한 측정량을 억제한다. 이로 인해 진폭의 잡음이 증가하지만, 추가적인 추가 요소를 통해 이러한 영향을 상쇄할 수 있다. 이를 위해 LIGO 검출기에 약 300m 길이의 추가 챔버가 설치되었으며, 이 챔버에는 추가적인 광자 필터와 거울이 설치되었다. 이 시스템은 입력 레이저 광의 주파수와 세기를 원하는 측정값과 매개변수에 맞게 조정한다.

<© Caltech/ LIGO Lab>

캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 라나 아디카리(Rana Adhikari)는 "이전에는 LIGO의 정확도를 위상과 진폭 중 어느 쪽으로 더 높일지 결정해야 했다"고 말하며, "이제는 두 가지 모두 가능하다"고 덧붙였다. 이러한 기술적 발전은 LIGO 검출기의 감지 범위와 감도를 크게 향상시켰다. 또한, 이탈리아의 Virgo와 일본의 KAGRA, 이렇게 두 개의 중력파 관측소가 추가로 운영되고 있다. 미국에 있는 두 대의 LIGO 검출기와 함께, 이 두 검출기는 유입되는 중력파의 기원을 더욱 정확하게 파악할 수 있는 네트워크를 형성한다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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