| 초록 |
중력파는 다양한 천체에 의해 다양한 진동수로 만들어질 수 있다. 현재 가동되고 있는 지상용 검출기는 대부분 수십 ~ 수천 Hz 사이에서 가장 민감하며 주로 중성자별이나 항성 진화를 거쳐 만들어지는 블랙홀로 이루어진 쌍성이 합병하기 직전에 내는 중력파를 검출하는데 적합하다. 반면 질량이 무거운 천체나 크기가 큰 천체로부터 나오는 중력파는 훨씬 낮은 진동수의 중력파를 방출하면서 충돌한다. 은하 중심에 존재한다고 믿어지는 거대질량 블랙홀은 지상 검출기로는 검출이 불가능한 밀리 Hz 이하의 중력파를 내고 이는 2030년대 후반에 발사를 목표로 추진하고 있는 eLISA의 관측 대상이다. 우주 검출기인 eLISA와 지상 검출기인 LIGO나 Virgo가 관측하기 어려운 진동수는 0.1 ~ 수 Hz 영역이다. 지상 검출기는 지진잡음이나 뉴튼 잡음에 영향을 많이 받아 관측이 어려운 반면 우주 검출기는 거리가 수백만 km 떨어져 있다보니 파장이 겹치는 효과 때문에 이 영역에서 감도가 매우 나쁘다. 반면 현대 천문학에서 수수께끼로 남아 있는 중간질량 블랙홀을 볼 수 있는 유용한 진동수 영역이다. 따라서 이러한 저주파 영역에 민감한 검출기를 제작, 운용할 수 있으면 매우 중요한 과학적 발견을 할 수 있을 것이다. 본 연구는 지상에서 제작할 수 있는 저주파 (또는 중간주파) 검출기를 검토하고 기술적 타당성, 과학적 중요성, 그리고 실현을 위한 접근 방법 등을 연구하는 것을 목표로 하고 있다. LIGO나 Virgo와 같은 레이저 간섭계는 자유롭게 떠 있는 거울 사이의 거리가 변하는 정도를 측정함으로서 중력파를 검출한다. 이런 검출기는 10 Hz 이하의 주파수에서는 지진 잡음과 먼 곳에서 오는 지진파에 의한 뉴튼 잡음 때문에 민감도가 매우 떨어진다. 반면 본 연구에서 주목하고 있는 중력경사계를 응용한 검출기는 3차원 구조를 가지고 있기 때문에 중력 경사와 관련된 3차원 텐서 성분 6개를 모두 측정할 수 있다. 그러나 중력파는 2개의 성분만 구하면 되기 때문에 4개의 추가 정보를 가져다 준다. 이들 성분에는 뉴튼 잡음이 포함되어 있으므로 지진파에 대한 정보를 알려준다. 이론적으로는 뉴튼 잡음에 의한 효과를 약 1/1,000까지 줄일 수 있음이 알려져 있다. 실질적으로 뉴튼 잡음을 이정도로 줄일 수 있다면 지진 경사계의 측정 정밀도는 다른 요인에 의한 잡음에 의해 주로 결정된다. 기기 자체의 잡음으로는 플랫폼의 열잡음, 검출기 회로의 잡음, 그리고 검출기 자체의 잡음이 있다. 이러한 잡음은 플랫폼을 구성하는 재료, 온도, 모양 등에 따라 달라지며, 검출기 회로의 잡음은 회로 구성 방법을 분석함으로서 구할 수 있고, 검출기 자체의 잡음은 검출기의 어떻게 만드는가에 의해 결정된다. 본 연구에서는 저주파 중력파 검출기에 대한 기초 연구로 (1) 저주파 검출기를 이용해 관측 가능 대상 천체 조사, (2) 메릴랜드 대학의 SSG 구조에 대한 분석, (3) 저주파 3차원 초전도 중력계의 잡음 수치 모형 계산, (4) 뉴튼 잡음 모의실험 등을 수행하였다. 관측 가능한 천체로는 태양 질량의 수백배에서 수만배 사이에 있는 중간질량 블랙홀을 들 수 있으며 이들은 적색편이 1 이상까지 관측이 가능함을 알 수 있었다. 중력계의 잡음 수치모형 계산을 통해서 다양한 재질과 구조를 가지는 플랫폼별 잡음을 계산하였고, 온도를 0.1K 이하로 냉각시킨다면 수십 m 정도의 크기로도 천체물리학적으로 의미 있는 검출기를 만들 수 있을 것임을 알 수 있었다. 지진 데이터를 이용한 뉴튼 잡음으로의 환산을 수행함으로서 앞으로 뉴튼 잡음 제거를 위한 수치 모형의 기초 자료로 활용할 수 있게 하였다. (출처 : 연구결과 요약문 4P) |
