LIGO용 더욱 개선된 거울, 감지력 8배 증가
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2021-10-06 20:48:08
3'20" 읽기
* 티타늄과 이산화 게르마늄으로 구성된 코팅
* 측정 레이저를 더 잘 반사하고 열 노이즈를 절반으로 줄여
* 8배 더 큰 공간에서 중력파 감지 가능
* LIGO 감지기의 네 번째 임기는 2022년 여름에 시작
2016년 중력파가 처음 발견된 이후 미국 LIGO 천문대의 레이저 간섭계는 블랙홀이나 중성자별의 병합을 50개 이상 감지했다. 이러한 충돌은 시공간에서 진동을 유발하며, 이는 탐지기가 이러한 공간의 작은 압축 및 팽창을 감지하고 간섭 효과의 배경 소음과 구별할 수만 있다면 여전히 먼 거리에서도 감지할 수 있다.
소음에 대하여
지난 몇 년 동안 LIGO 천문대의 과학자들은 이러한 파괴적인 영향을 최소화하기 위해 여러 가지 방법을 개발했다. "양자 프레스"는 양자 변동에 의해 생성된 노이즈를 억제한다. 탐지기는 또한 매우 민감하여 시설에 있는 40kg의 거울조차도 이러한 양자 효과의 결과로 진동하는 정도를 측정할 수 있다.
그러나 두 번째 방해 효과가 있다.
중력파 감지에 중요한 약 100Hz의 주파수 범위에서 양자 잡음뿐만 아니라 열 잡음도 작용한다. 열에너지로 인한 거울. 측정 레이저의 빔이 더 완벽하게 반사될수록 코팅이 흡수하는 에너지가 줄어들고 원자가 덜 강하게 "버둥거린다".
주기율표를 통한 추적
이것이 바로 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 Gabriele Vajente와 그녀의 LIGO 동료들이 혁신을 가져온 곳이다. Vajente는 "우리는 오늘날 가능한 것을 최대한으로 제공하는 재료를 찾고 싶었다. "우주를 들을 수 있는 우리의 능력은 궁극적으로 이 미시적 규모에서 일어나는 일에 의해 제한되기 때문이다."
연구를 위해 그들은 잠재적으로 적합한 반사 물질을 검색할 수 있는 테스트 방법을 개발했다.
"이제 우리는 새로운 재료의 특성을 완전 자동으로 단 8시간 만에 테스트할 수 있다. 이전에는 거의 일주일이 걸렸다"고 Vajente는 보고헸다. “그 덕분에 우리는 전체 주기율표에서 적절한 재료와 재료 조합을 검색할 수 있었다. 한 가지는 완전히 부적합한 것으로 밝혀졌지만 여전히 중요한 원자 기능에 대한 귀중한 정보를 제공했다.”
분자 운동이 절반으로 감소
팀은 실제로 그들이 찾고 있던 것을 발견했다.
44%의 이산화티타늄과 66%의 이산화게르마늄의 혼합물은 특히 소음 감소 및 반사 효과가 있는 것으로 판명되었다. "이 혼합물은 10-4 범위의 내부 산란을 보여주며, 이는 브라운 운동을 거의 2배만큼 감소시킬 만큼 충분히 작다"고 연구자들은 보고했다.
미러 유리의 정밀하고 균일한 코팅을 위해 티타늄과 게르마늄을 증발시킨 후 이온빔을 이용하여 표면에 도포하고 산화시킨다.
결과적으로 열 노이즈가 감소하면 LIGO 감지기가 이전보다 8배 더 큰 공간에서 중력파를 감지할 수 있다. Caltech의 LIGO 이사 David Reitz는 "이 새로운 코팅으로 중력파 감지율을 일주일에 한 번에서 매일 또는 그 이상으로 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
Advanced LIGO Plus와 함께 사용
LIGO 팀은 거울의 새로운 코팅이 천문대 5기에서 사용될 것으로 추정한다.
그들은 2020년 중반부터 Advanced LIGO Plus 프로그램을 위해 계획된 개선 작업의 일부가 될 것이다. "이것은 Advanced LIGO Plus의 게임 체인저가 될 것이다"며 "LIGO가 광학 및 재료 연구의 발전에 기반을 두고 있음을 보여주는 좋은 예다"고 라이츠가 말했다.
그 전에 LIGO 감지기의 네 번째 임기는 2022년 여름에 시작된다.
또한 이전 측정 단계와 비교해 최적화된 많은 기술적인 이점을 제공한다.
(Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103 / PhysRevLett.127.071101)
출처: 캘리포니아 공과대학
* 티타늄과 이산화 게르마늄으로 구성된 코팅
* 측정 레이저를 더 잘 반사하고 열 노이즈를 절반으로 줄여
* 8배 더 큰 공간에서 중력파 감지 가능
* LIGO 감지기의 네 번째 임기는 2022년 여름에 시작
LIGO를 위한 더욱 개선된 거울
새로운 유형의 코팅은 중력파 관측소를 두 배 더 민감하게 만든다.
소음 감소:
거울의 새로운 코팅은 중력파 관측소 LIGO를 이전보다 훨씬 더 민감하게 만들 수 있다. 티타늄과 이산화 게르마늄으로 구성된 코팅은 측정 레이저를 더 잘 반사하고 열 노이즈를 절반으로 줄인다. 결과적으로 LIGO는 8배 더 큰 공간에서 중력파를 감지할 수 있다.
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▲ 이 작은 유리판의 약간 핑크빛 쉬머는 LIGO 감지기의 거울을 소음을 낮추는 새로운 유형의 코팅에서 비롯된다. © Caltech |
2016년 중력파가 처음 발견된 이후 미국 LIGO 천문대의 레이저 간섭계는 블랙홀이나 중성자별의 병합을 50개 이상 감지했다. 이러한 충돌은 시공간에서 진동을 유발하며, 이는 탐지기가 이러한 공간의 작은 압축 및 팽창을 감지하고 간섭 효과의 배경 소음과 구별할 수만 있다면 여전히 먼 거리에서도 감지할 수 있다.
소음에 대하여
지난 몇 년 동안 LIGO 천문대의 과학자들은 이러한 파괴적인 영향을 최소화하기 위해 여러 가지 방법을 개발했다. "양자 프레스"는 양자 변동에 의해 생성된 노이즈를 억제한다. 탐지기는 또한 매우 민감하여 시설에 있는 40kg의 거울조차도 이러한 양자 효과의 결과로 진동하는 정도를 측정할 수 있다.
그러나 두 번째 방해 효과가 있다.
중력파 감지에 중요한 약 100Hz의 주파수 범위에서 양자 잡음뿐만 아니라 열 잡음도 작용한다. 열에너지로 인한 거울. 측정 레이저의 빔이 더 완벽하게 반사될수록 코팅이 흡수하는 에너지가 줄어들고 원자가 덜 강하게 "버둥거린다".
주기율표를 통한 추적
이것이 바로 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 Gabriele Vajente와 그녀의 LIGO 동료들이 혁신을 가져온 곳이다. Vajente는 "우리는 오늘날 가능한 것을 최대한으로 제공하는 재료를 찾고 싶었다. "우주를 들을 수 있는 우리의 능력은 궁극적으로 이 미시적 규모에서 일어나는 일에 의해 제한되기 때문이다."
연구를 위해 그들은 잠재적으로 적합한 반사 물질을 검색할 수 있는 테스트 방법을 개발했다.
"이제 우리는 새로운 재료의 특성을 완전 자동으로 단 8시간 만에 테스트할 수 있다. 이전에는 거의 일주일이 걸렸다"고 Vajente는 보고헸다. “그 덕분에 우리는 전체 주기율표에서 적절한 재료와 재료 조합을 검색할 수 있었다. 한 가지는 완전히 부적합한 것으로 밝혀졌지만 여전히 중요한 원자 기능에 대한 귀중한 정보를 제공했다.”
분자 운동이 절반으로 감소
팀은 실제로 그들이 찾고 있던 것을 발견했다.
44%의 이산화티타늄과 66%의 이산화게르마늄의 혼합물은 특히 소음 감소 및 반사 효과가 있는 것으로 판명되었다. "이 혼합물은 10-4 범위의 내부 산란을 보여주며, 이는 브라운 운동을 거의 2배만큼 감소시킬 만큼 충분히 작다"고 연구자들은 보고했다.
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| ▲ 코팅용 진공 챔버 테스트 시스템. © Caltech |
결과적으로 열 노이즈가 감소하면 LIGO 감지기가 이전보다 8배 더 큰 공간에서 중력파를 감지할 수 있다. Caltech의 LIGO 이사 David Reitz는 "이 새로운 코팅으로 중력파 감지율을 일주일에 한 번에서 매일 또는 그 이상으로 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
Advanced LIGO Plus와 함께 사용
LIGO 팀은 거울의 새로운 코팅이 천문대 5기에서 사용될 것으로 추정한다.
그들은 2020년 중반부터 Advanced LIGO Plus 프로그램을 위해 계획된 개선 작업의 일부가 될 것이다. "이것은 Advanced LIGO Plus의 게임 체인저가 될 것이다"며 "LIGO가 광학 및 재료 연구의 발전에 기반을 두고 있음을 보여주는 좋은 예다"고 라이츠가 말했다.
그 전에 LIGO 감지기의 네 번째 임기는 2022년 여름에 시작된다.
또한 이전 측정 단계와 비교해 최적화된 많은 기술적인 이점을 제공한다.
(Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103 / PhysRevLett.127.071101)
출처: 캘리포니아 공과대학
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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