캘리포니아 대학교 리버사이드(University of California, Riverside)의 물리학자 조나단 리처드슨(Jonathan Richardson)이 이끄는 새로운 계측 기술의 발전 덕분에 중력파 감지기의 성능이 곧 크게 향상될 수 있습니다. 저널에 발표된 논문에서 광학Richardson과 그의 동료들은 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 내부에서 매우 높은 전력으로 레이저 파면을 성공적으로 제어하는 실물 크기 프로토타입인 FROSTI에 대해 설명합니다.
LIGO는 블랙홀 충돌과 같은 거대 가속 물체에 의해 생성되는 시공간의 작은 잔물결인 중력파를 측정하는 관측소입니다. 이 파동을 직접 감지한 최초의 시설로 아인슈타인의 상대성 이론을 강력하게 뒷받침했습니다. LIGO는 워싱턴과 루이지애나에 위치한 두 개의 4km 길이 레이저 간섭계를 사용하여 믿을 수 없을 정도로 작은 교란을 감지하여 과학자들에게 극한 조건에서 블랙홀, 우주론 및 물질을 연구할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다.
LIGO는 현대 과학에서 가장 신중하게 설계된 구성 요소 중 하나인 거울을 사용합니다. 각 거울은 가로 34cm, 두께 20cm, 무게 약 40kg입니다. 양성자 직경의 1/1,000보다 작은 시공간 왜곡을 탐지하려면 이러한 거울이 거의 완벽하게 고정되어 있어야 합니다. 아주 작은 진동이나 환경 소음도 LIGO가 감지하려는 희미한 중력파 신호를 감지하지 못할 수 있습니다.
물리학 및 천문학 조교수인 Richardson은 “우리 혁신의 핵심은 1 메가와트를 초과하는 레이저 출력으로 LIGO의 주 거울 표면을 정밀하게 재형성하도록 설계된 새로운 적응형 광학 장치입니다. 이는 일반적인 레이저 포인터보다 10억 배 이상 강력하고 오늘날 LIGO가 사용하는 출력의 거의 5배입니다.”라고 말했습니다. “이 기술은 중력파 천문학의 미래를 위한 새로운 길을 열어줍니다. 이는 이전보다 더 깊은 우주를 볼 수 있는 Cosmic Explorer와 같은 차세대 탐지기를 활성화하는 중요한 단계입니다.”
FROSTI: LIGO 거울을 위한 정밀 열 제어
FROnt Surface Type Irradiator의 약자인 FROSTI는 강렬한 레이저 광이 LIGO의 광학 장치를 가열할 때 생성되는 왜곡을 상쇄하도록 설계된 정밀 파면 제어 시스템입니다. 기존 시스템은 상대적으로 대략적인 수정만 할 수 있지만 FROSTI는 보다 진보된 열 투영 방법을 사용하여 거울 표면에 미세하고 고차원적인 조정을 적용합니다. 이러한 수준의 제어는 미래 감지기의 더욱 까다로운 성능 요구 사항을 충족하는 데 필수적입니다.
차가운 이름에도 불구하고 FROSTI는 매우 통제된 방식으로 거울 표면을 따뜻하게 하여 거울을 이상적인 광학적 형태로 되돌리는 방식으로 작동합니다. 시스템은 열 복사를 사용하여 세심하게 맞춤화된 열 패턴을 거울에 투사합니다. 이는 실제 중력파 신호로 오해될 수 있는 추가 노이즈를 피하면서 광학 왜곡을 완화합니다.
중력파 천문학에 더 나은 광학이 중요한 이유
중력파는 2015년 LIGO에 의해 처음 감지되어 천문학의 새로운 시대가 시작되었습니다. 그러나 우주를 관찰하는 이 새로운 방법을 완전히 활용하려면 앞으로 나올 감지기가 더 멀리 있는 사건을 보고 더 명확하게 측정해야 합니다.
Richardson은 “이는 레이저 출력과 양자 수준 정밀도 모두의 한계를 뛰어넘는 것을 의미합니다.”라고 말했습니다. “문제는 레이저 출력을 높이면 신호 선명도를 향상시키기 위해 의존하는 섬세한 양자 상태가 파괴되는 경향이 있다는 것입니다. 우리의 신기술은 메가와트 출력 수준에서도 광학 장치가 왜곡되지 않은 상태로 유지되도록 하여 이러한 긴장을 해결합니다.”
이러한 접근 방식을 통해 새로운 기술은 관측 가능한 중력파 우주를 10배로 확장할 것으로 예상됩니다. 이러한 범위의 증가를 통해 천문학자들은 우주 역사 전반에 걸쳐 수백만 개의 블랙홀과 중성자별 합병을 감지하고 전례 없는 세부 사항으로 연구할 수 있습니다.
미래 전망: LIGO A# 및 우주 탐험가
FROSTI는 Cosmic Explorer로 알려진 차세대 관측소의 테스트베드 역할을 할 계획된 업그레이드인 LIGO A#의 핵심 구성 요소가 될 것으로 예상됩니다. 현재 프로토타입은 40kg LIGO 거울에서 시연되었지만 Cosmic Explorer용으로 제안된 훨씬 더 큰 440kg 거울에도 동일한 원리를 확장하고 적용할 수 있습니다.
Richardson은 “현재 프로토타입은 시작에 불과합니다.”라고 말했습니다. “우리는 이미 훨씬 더 복잡한 광학 왜곡을 교정할 수 있는 새로운 버전을 설계하고 있습니다. 이것이 중력파 천문학의 향후 20년을 위한 R&D 기반입니다.”
Richardson은 UCR, MIT 및 Caltech의 과학자들과 공동으로 연구를 수행했습니다.
이 작업은 국립과학재단(National Science Foundation)이 Richardson에게 보조금을 지원했습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251203004736.htm
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