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"중력파의 검출"의 두 판 사이의 차이
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중력파 관측에 성공한 라이고 중력파 검출기는 이러한 미세한 길이 변화를 측정하기 위해 빛의 간섭 현상을 이용했다. 간섭이란 동일한 파장과 진폭을 가진 두 빛이 합성될 때 더 밝아지거나 어두워지는 현상을 말한다. 같은 점에서 출발하여 같은 속도로 같은 거리를 이동한 후 합쳐진 두 빛은 보강 간섭에 의해 최대 밝기를 보이고, 두 빛의 경로에 거리 차이가 생길수록 점점 어두워지며, 그 차이가 파장의 절반이 되면 상쇄 간섭에 의해 빛이 완전히 소멸된다(그림 1). | 중력파 관측에 성공한 라이고 중력파 검출기는 이러한 미세한 길이 변화를 측정하기 위해 빛의 간섭 현상을 이용했다. 간섭이란 동일한 파장과 진폭을 가진 두 빛이 합성될 때 더 밝아지거나 어두워지는 현상을 말한다. 같은 점에서 출발하여 같은 속도로 같은 거리를 이동한 후 합쳐진 두 빛은 보강 간섭에 의해 최대 밝기를 보이고, 두 빛의 경로에 거리 차이가 생길수록 점점 어두워지며, 그 차이가 파장의 절반이 되면 상쇄 간섭에 의해 빛이 완전히 소멸된다(그림 1). | ||
[[파일:라이고 중력파 검출기.png|섬네일|그림 2. 라이고 중력파 검출기]] | [[파일:라이고 중력파 검출기.png|섬네일|그림 2. 라이고 중력파 검출기]] | ||
라이고 중력파 검출기는 L자 모양의 두 팔로 이루어져 있다. 하나의 광원에서 출발한 레이저는 광분배기를 통해 50%씩 나뉘어 두 팔로 보내지며, 팔 끝에 설치된 거울에서 반사되어 돌아온 두 빛의 합성된 밝기는 중력파에 의한 두 팔의 길이 변화를 보여주는 관측 신호가 된다. 평소 두 팔의 길이는 합성된 두 레이저가 완벽한 상쇄 간섭을 일으키도록 맞춰 놓았기 때문에, 중력파가 지나가지 않는 동안 검출기에서는 아무런 신호도 검출되지 않는다. 그러나 중력파가 지나가면 시공간의 진동을 따라 양팔이 번갈아 늘어났다 줄어들며 진동하면서, 진동하는 신호가 검출된다. | 라이고 중력파 검출기는 L자 모양의 두 팔로 이루어져 있다. 하나의 광원에서 출발한 레이저는 광분배기를 통해 50%씩 나뉘어 두 팔로 보내지며, 팔 끝에 설치된 거울에서 반사되어 돌아온 두 빛의 합성된 밝기는 중력파에 의한 두 팔의 길이 변화를 보여주는 관측 신호가 된다. 평소 두 팔의 길이는 합성된 두 레이저가 완벽한 상쇄 간섭을 일으키도록 맞춰 놓았기 때문에, 중력파가 지나가지 않는 동안 검출기에서는 아무런 신호도 검출되지 않는다. 그러나 중력파가 지나가면 시공간의 진동을 따라 양팔이 번갈아 늘어났다 줄어들며 진동하면서, 진동하는 신호가 검출된다(그림 2). | ||
중력파에 의한 물체의 길이 변화는 물체의 총 길이에 비례하기 때문에, 중력파 검출기의 민감도는 검출기의 팔이 길수록 향상된다. 라이고 중력파 검출기는 한 팔의 길이가 4km나 되지만, 그것으로도 모자라 레이저가 팔의 양 끝을 수백 차례 왕복한 후 빠져나오도록 해 주는 페브리-페로 관을 추가함으로써 마치 수백 배 길이의 팔을 가진 검출기를 사용한 것과 같은 효과를 얻었다. 이러한 방법을 통해 라이고 중력파 검출기는 최대 10<sup>-23</sup>의 진폭도 검출할 수 있도록 설계되었다. | 중력파에 의한 물체의 길이 변화는 물체의 총 길이에 비례하기 때문에, 중력파 검출기의 민감도는 검출기의 팔이 길수록 향상된다. 라이고 중력파 검출기는 한 팔의 길이가 4km나 되지만, 그것으로도 모자라 레이저가 팔의 양 끝을 수백 차례 왕복한 후 빠져나오도록 해 주는 페브리-페로 관을 추가함으로써 마치 수백 배 길이의 팔을 가진 검출기를 사용한 것과 같은 효과를 얻었다. 이러한 방법을 통해 라이고 중력파 검출기는 최대 10<sup>-23</sup>의 진폭도 검출할 수 있도록 설계되었다. | ||
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2015년 9월 14일 두 곳의 라이고 중력파 검출기는 거의 동시에 잡음 수준의 10배가 훨씬 넘는 강력한 신호를 검출했는데, 약 0.2초 동안 지속된 이 신호는 진동수와 진폭이 함께 증가하다가 150Hz의 최대 진동수와 10<sup>-21</sup>의 최대 진폭을 보인 후 급격히 감쇠하는 파형을 보였다. 이러한 형태는 쌍성계의 병합 과정에서 방출되는 폭발형 중력파의 특징적인 파형으로서, 과학자들은 이를 근거로 이번 관측을 최초의 중력파 검출로 결론 내렸다. 또한 그들은 이론적 계산을 통해 병합 직전 쌍성계를 이루던 두 별이 각각 태양 질량의 36배와 29배에 달하는 블랙홀이었음을 알아낼 수 있었다. 따라서 이번 관측은 그동안 다른 방법으로는 관측이 불가능했던 블랙홀에 대한 최초의 관측이기도 했다. 이는 중력파 검출기가 우주에서 벌어지는 다양한 사건들을 우리에게 알려주는 중요한 도구가 될 수 있음을 보여준다. | 2015년 9월 14일 두 곳의 라이고 중력파 검출기는 거의 동시에 잡음 수준의 10배가 훨씬 넘는 강력한 신호를 검출했는데, 약 0.2초 동안 지속된 이 신호는 진동수와 진폭이 함께 증가하다가 150Hz의 최대 진동수와 10<sup>-21</sup>의 최대 진폭을 보인 후 급격히 감쇠하는 파형을 보였다. 이러한 형태는 쌍성계의 병합 과정에서 방출되는 폭발형 중력파의 특징적인 파형으로서, 과학자들은 이를 근거로 이번 관측을 최초의 중력파 검출로 결론 내렸다. 또한 그들은 이론적 계산을 통해 병합 직전 쌍성계를 이루던 두 별이 각각 태양 질량의 36배와 29배에 달하는 블랙홀이었음을 알아낼 수 있었다. 따라서 이번 관측은 그동안 다른 방법으로는 관측이 불가능했던 블랙홀에 대한 최초의 관측이기도 했다. 이는 중력파 검출기가 우주에서 벌어지는 다양한 사건들을 우리에게 알려주는 중요한 도구가 될 수 있음을 보여준다. | ||
== 문제들 == | |||
'''문제 1. 중력파에 대한 이해로 적절하지 않은 것은?''' | '''문제 1. 중력파에 대한 이해로 적절하지 않은 것은?''' | ||
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# 잡음과 비슷한 수준의 진폭을 가진 중력파 신호는 중력파로 인정받기 어렵다. | # 잡음과 비슷한 수준의 진폭을 가진 중력파 신호는 중력파로 인정받기 어렵다. | ||
# 헐스와 테일러는 중력파 측정 결과를 바탕으로 쌍성계의 궤도 감소를 예측했다. | # 헐스와 테일러는 중력파 측정 결과를 바탕으로 쌍성계의 궤도 감소를 예측했다. | ||
'''문제 3. 아래의 <보기>를 바탕으로 윗글의 마지막 문단에 대해 설명한 것으로 적절한 것은?'''<blockquote>중력파를 관측하기 이전, 과학자들은 중성자별 또는 블랙홀로 이루어진 쌍성계가 하나의 블랙홀로 병합되는 과정을 다음과 같이 예상하고 있었다. 병합 직전 두 별은 작은 궤도에서 격렬한 운동을 하며 강한 중력파를 방출한다. 그로 인해 두 별은 더 가까워지고 두 별은 더 짧은 주기의 더 격렬한 궤도 운동을 하게 된다. 이는 두 별이 방출하는 중력파의 진폭과 진동수를 점점 증가시킨다. 결국 두 별이 충돌하면 블랙홀이 되며 중력장의 진동은 당분간 지속되지만 곧 약해지게 된다.</blockquote> | '''문제 3. 아래의 <보기>를 바탕으로 윗글의 마지막 문단에 대해 설명한 것으로 적절한 것은?'''<blockquote>중력파를 관측하기 이전, 과학자들은 중성자별 또는 블랙홀로 이루어진 쌍성계가 하나의 블랙홀로 병합되는 과정을 다음과 같이 예상하고 있었다. 병합 직전 두 별은 작은 궤도에서 격렬한 운동을 하며 강한 중력파를 방출한다. 그로 인해 두 별은 더 가까워지고 두 별은 더 짧은 주기의 더 격렬한 궤도 운동을 하게 된다. 이는 두 별이 방출하는 중력파의 진폭과 진동수를 점점 증가시킨다. 결국 두 별이 충돌하면 블랙홀이 되며 중력장의 진동은 당분간 지속되지만 곧 약해지게 된다.</blockquote> | ||
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# 과학자들은 블랙홀 쌍성계의 병합으로 발생한 중력파가 2015년 9월 14일에 지구에 도달할 것을 미리 알고 있었기 때문에 중력파 신호를 관측할 수 있었다. | # 과학자들은 블랙홀 쌍성계의 병합으로 발생한 중력파가 2015년 9월 14일에 지구에 도달할 것을 미리 알고 있었기 때문에 중력파 신호를 관측할 수 있었다. | ||
# 과학자들이 2015년 9월 14일의 신호를 블랙홀 쌍성계의 병합 과정에서 발생한 것으로 결론내린 것은 그동안 블랙홀에 대한 방대한 관측 결과가 있었기 때문이다. | # 과학자들이 2015년 9월 14일의 신호를 블랙홀 쌍성계의 병합 과정에서 발생한 것으로 결론내린 것은 그동안 블랙홀에 대한 방대한 관측 결과가 있었기 때문이다. | ||
== 관련 항목 == | |||
* [[:분류:과학교양|분류:과학교양]] | |||
[[분류:과학교양]] | [[분류:과학교양]] | ||
[[분류:과학적 증거]] | [[분류:과학적 증거]] | ||