(영상) 중력파 직접 검출한 실험장치는 정밀 레이저 기기

11일(현지시간) 고급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO)가 발표한 중력파 검출에 사용된 실험 장치는 레이저 광선을 이용해 매우 미세한 거리와 시간의 차이를 매우 정밀하게 측정하는 기기다.

만약 블랙홀 충돌 등으로 매우 강한 중력파가 발생하면 퍼져 나가면서 시공간에 파동을 일으킬 것이며, 이 때문에 매우 미세한 변화가 일어나 레이저 간섭계로 탐지할 수 있으리라는 것이 1980년대에 처음 제안된 라이고 실험의 기본 개념이었다.

다만, 중력파로 인한 미세한 변화를 측정하려면 매우 정밀한 측정 장치가 필요하다.

라이고 실험의 핵심은 레이저를 서로 수직인 두 방향으로 분리시켜 보낸 후 반사된 빛을 다시 합성해 경로 변화를 측정하는 방식으로 시공간의 뒤틀림을 측정하는 것이다.

빛은 파동이기 때문에 이런 식으로 경로가 갈라졌다가 다시 합성되면 위상이 어긋나면서 생기는 간섭(干涉·interference) 현상을 탐지할 수 있다.

실험 장치는 한 변의 길이가 4km인 ‘L’자 모양으로 생겼다. ‘L’자의 두 변이 만나는 모서리 부분에서 발사된 빛이 90도 각도로 갈라졌다가 두 변의 끝 부분에서 각각 반사돼 다시 돌아오도록 하는 장치다. 빛이 움직이는 두 변의 통로는 진공 상태다.

각 변을 따라 움직이는 레이저 광선을 약 400번 도로 반사시키고서 신호를 다시 모으기 때문에 실제 빛 경로의 길이는 1천600km에 이른다. 레이저 빔이 진공 속을 통과하고 각 변 끝에 있는 거울의 빛 반사율이 거의 100%이어서 가능한 일이다.

이 장치는 만약 중력파의 영향이 없어서 두 갈래로 갈라진 빛이 정확하게 똑같은 거리를 똑같은 시간에 움직였다면 만날 때 서로 위상이 정확히 정반대인 상태로 겹치게 돼 아무런 신호도 검출되지 않도록 설계돼 있다.

그러나 중력파로 시공간에 뒤틀림이 생긴다면 두 갈래로 나뉘었던 신호의 경로 길이에 차이가 나서 정확히 겹치지 않기 때문에 간섭 패턴을 검출할 수 있다.

원리는 간단한 것 같지만, 매우 정밀한 기기이기 때문에 실제 제작과 운영은 매우 까다롭다. 일단 외부 영향으로부터 철저히 격리돼야 하므로 진동을 차단하고 진공을 만들어야 하는 것은 기본이다. 또 둥근 지구 위에 설치되어 있으므로 그 곡률에 따른 보정도 필요하다.

L자 모양의 변은 길이 4km, 지름 1.2 m인 기다란 강철 관으로, 그 속은 진공이며 밖에는 너비 3m, 높이 4m인 콘크리트 보호 터널이 설치돼 있다.

연구진은 이런 검출기를 두 대 만들어 서로 약 3천km 떨어진 미국 루이지애나 주 리빙스턴과 워싱턴 주 핸퍼드에서 설치한 후 동시에 가동했다. 가짜 신호와 진짜 신호를 구분하고, 미세한 시차를 이용해 파원의 방향을 추정하기 위해서다.

라이고 연구 그룹은 2002∼2010년 제1세대 검출기 가동과 연구를 한 후 약 5년간 기기 개선 작업을 거쳐 작년 9월부터 제2세대 ‘고급 라이고’(advanced LIGO) 검출기를 가동하기 시작했다.

현재 라이고 검출기의 감도는 중성자별 충돌의 경우 약 10억 광년, 블랙홀 충돌의 경우 약 30억 광년 거리에서 일어나는 현상을 검출할 수 있는 수준이라는 게 연구진의 설명이다.

이번 첫 중력파 검출은 13억 광년 거리에서 일어난 블랙홀 두 개의 충돌로 약 0.15초간 강력한 중력파가 발생해 우주 공간으로 퍼져 나간 것이 이번에 포착된 것이다.

이번에 관측된 중력파의 최대 진폭은 ‘10^21(10의 21거듭제곱)분의 1’ 수준으로, 이는 1광년의 길이에 머리카락 굵기 정도 변화가 생기는 데 해당한다.

연합뉴스