일반상대성이론의 100년과 그 미래 물리학과 첨단기술 MARCH 2015 23 저자약력 오상훈 박사는 2009년 은하 충돌로 생성되는 나선팔을 연구하여 서울대학교 에서 박사학위를 받았고, 국가수리과학연구소에서 박사후 연구원을 거쳐 현재 동 연구소에서 선임연구원으로 재직 중이다. 2009년부터 한국중력파연구협력 단의 회원이며 2010 년 밀워키 위스콘신 주립대학 방문연구를 시작으로 본격적 인 중력파 데이터 분석 연구에 뛰어들어 쌍성계에서 발생하는 중력파와 보조채 널 데이터 분석 연구를 수행하고 있다. 강궁원 박사는 연세대와 미국 메릴랜드 대학에서 수학했다. 일반상대론을 전공 했으며 다년간 블랙홀 관련 이론적 연구를 해오다 2005년부터 한국과학기술 정보연구원(KISTI)에서 수치상대론 및 중력파 분야 연구를 하고 있다. ([email protected]) 중력파 천문학과 차세대 중력파 검출기 DOI: 10.3938/PhiT.24.012 오상훈 ․강궁원 1) 아인슈타인은 일반상대론에 관하여 1915년 11월 25일 4쪽짜리 짧은 논문 을 출판하고, 1916년 54쪽의 긴 논문을 발표했다. Gravitational-wave Astronomy and Next-gen- eration Detectors Sang Hoon OH and Gungwon KANG Gravitational waves are predicted by Einstein’s General Theory of Relativity (1916). Direct detection of gravitational waves not only proves his theory but also opens a new era of gravitational-wave astronomy and astrophysics. The first detection of such waves, followed by the detection of a few more, may not be enough to accumulate astronomical in- formation that would allow the study of many aspects of astronomy. We introduce next-generation gravitational-wave detectors in space and underground and the targeted sources to be observed. We also discuss the major science goals that such detectors would achieve in the future. 중력파 검출실험 개요 올해는 아인슈타인의 일반상대론 발표 100주년을 기념하는 해 이다. 1) 지난 백 년간 수성의 근일점 이동 등 여러 실험과 관측을 통하여 일반상대성이론은 철저한 검증을 거쳤다. 일반상대론이 예측하였지만 아직 직접적인 증거를 찾지 못하여 마지막으로 남 아 있는 숙제가 중력파의 직접적인 검출이다. 중력파의 직접 검출 은 일반상대론이 옳음을 최종적으로 검증하는 마지막 관문이라는 사실만으로도 위대한 과학적 성과이지만 천문학과 천체물리학에 서 관심을 가지고 있는 천체에 대한 새로운 관측 방법을 제공해줄 수 있다는 점에서 그 가치는 더욱 소중하다. 일반상대론에 따르면 물체의 존재는 주위의 시공간을 휘어지 게 하여 시공간은 더 이상 편평하지 않고 곡률을 갖게 된다. 만 약 물체의 분포가 시간에 따라 역동적으로 변하게 되면 주위의 시공간도 역동적으로 변할 것이며, 이러한 변화는 물체 근처에 머물지 않고 멀리까지 퍼져 나갈 것이다. 전하를 가진 물체가 가 속운동을 하면 전자기파가 발생하여 퍼져나가는 것과 같다. 이 시공간 자체의 곡률파동이 중력파이며 일반상대론이 완성되기 훨씬 전부터 아인슈타인은 그 존재를 예상하고 있었다. 중력파를 실험적으로 검증하려는 노력은 1950년대 미국의 조셉 웨버에 의해 시작되었는데, 중력파가 지나가면서 유발되는 길이 2 m, 지름 1 m인 원통형 막대의 길이 변화에 의한 압전전류를 검출 하고자 하였다. 웨버는 60년대 후반에 드디어 중력파를 검출하 였다는 논문을 내기에 이르렀으나 그 뒤로 활발히 진행된 후속 실험에서는 그러한 결과를 얻지 못했다. 1970년대 물리학자들은 웨버의 막대형 검출기로는 우리가 예상할 수 있는 보통의 천체 로부터 오는 중력파를 검출할 수 없다는 인식을 하게 되고, 빛의 간섭현상을 이용한 좀 더 정밀한 검출기를 고안하게 된다. 이것 이 소위 라이고(LIGO, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)라고 하는 중력파 검출기인데 1990년대 건설을 시 작하여 2002년첫 가동을 했고 2010년 10월 여섯 번째 가동 후 업그레이드(advanced LIGO)에 들어가 2015년 후반 재가동을 하게 된다. 라이고 외에도 지구상의 간섭형 중력파 검출기로는 유럽의 버고(Virgo), 지오(GEO) 가 있으며, 일본의 카그라(KAGRA) 가 2012년부터 지하 100 m에 건설 중이고, 인도의 LIGO-India 가 건설 계획 중에 있다. 중력파 검출 실험에 대한 더 자세한 내 용은 문헌 [1] 을 참조하기 바라며, 이 글에서는 중력파 검출과 천 문학과의 관계, 그리고 다양한 차세대 중력파 검출 프로젝트와
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Gravitational waves are predicted by Einstein’s General Theory of Relativity (1916). Direct detection of gravitational waves not only proves his theory but also opens a new era of gravitational-wave astronomy and astrophysics. The first detection of such waves, followed by the detection of a few more, may not be enough to accumulate astronomical in-formation that would allow the study of many aspects of astronomy. We introduce next-generation gravitational-wave detectors in space and underground and the targeted sources to be observed. We also discuss the major science goals that such detectors would achieve in the future.
섭계를�이용한�검출기를�탑재하여�관측하는�방법이다. 유럽우주국(European Space Agency, ESA)은� 2028년�발사를�목표로�eLISA(evolved Laser Interferometer Space Antenna) 우주�중력파�안테나�프로젝트를�추진하고�있다. 당초�미국�항공우주국(NASA)과�ESA가�공동으로�함께�LISA(Laser Interferome- ter Space Antenna)를�추진하였으나�미국의�중단으로�유럽에서�단독으로�수행하게�되었고�규모가�조금�축소되었다. eLISA는�지
구와�태양�사이에�중력포텐셜이�안장모양(saddle point)으로�되어있는�L2 위치에�세�개의�인공위성으로�구성된�마이켈슨�레이저�간섭계이다.[5] 이등변삼각형�형태로�나열되는�세�개의�인공위성�중�가운데�꼭지점에�있는�하나는�모선(Mother Spacecraft)으로�양쪽�1백만�km 떨어져�있는�두�개의�인공위성과�함께�aLIGO, AdV처럼�두�팔을�가진�마이켈슨�간섭계를�만든다(그림�1). 지상에서는�관측이�어려운�0.001-0.1 Hz의�중력파에�가장�민감하도록�디자인된�eLISA는�태양보다�백만�배�이상�무거운�거대질량블랙홀(Super Massive Blackhole, SMBH)의�병합, 거대질량블랙홀이�주변의�중성자별, 또는�수-수백�태양질량의�항성질량�블랙홀(stellar mass black holes) 등을�집어삼키며�발생시키는�소위�극한질량비(Extremre Mass Ratio Inspiral, EMRI) 중력파를�관측할�수�있다. 그리고�관측적으로�잘�알려져�있는�고밀도천체의�쌍성계이지만�라이고, 버고, 카그라로는�검출할�수�없는�매우�미약한�저주파�영역의�중력파�역시�eLISA의�관측대상에�들어온다.여러�가지�천문학적인�관측사실을�통해�우리는�은하의�중심부
각운동량을�잃어�결국�거대질량블랙홀과�병합하게�된다. 이러한�과정을�EMRI라고�부르는데�특히�질량이�태양의�수백�배�이하인�블랙홀�천체들과�거대질량�블랙홀이�발생시키는� EMRI 중력파는�적색이동� z~0.5-0.7에�이르는�먼�거리까지�검출가능하고�거대질량�블랙홀의�자전과�질량을�매우�정밀하게�측정하는�데�사