중력파 검출기 LIGO

LIGO gravitational-wave detector

LIGO 는 빛 두 줄기를 겹쳐 어떻게 우주가 «출렁이는» 것을 잡아낼까요?

무슨 일이 일어났나

LIGO 는 팔 길이가 4 km 인 커다란 L 자 모양 레이저 간섭계 두 대로, 미국 핸퍼드와 리빙스턴에 3000 km 떨어져 있습니다(LIGO). 미국 국립 과학 재단(NSF)이 모두 지원합니다(LIGO).

간섭계는 레이저 빛을 두 팔로 나눠 보냈다가 다시 겹칩니다. 시뮬레이터의 두 파원처럼 두 파동의 마루가 만나면 세지고 마루와 골이 만나면 지워지므로, 두 길의 길이가 아주 조금만 달라져도 겹친 빛의 밝기가 바뀝니다.

시뮬레이터에서 두 파원 간격 d 를 바꾸면 세지는 줄과 지워지는 줄의 자리가 옮겨 갑니다. 중력파가 지나가면 두 팔의 길이가 서로 다르게 바뀌어, 빛에서 같은 일이 일어납니다.

처음 잡힌 중력파 GW150914 는 2015 년 9 월 14 일 09:50:45 UTC 에 리빙스턴에 먼저, 6.9 ms 뒤 핸퍼드에 닿았습니다(GWOSC). 멀리 떨어진 두 곳에서 함께 잡혀야 한 곳만의 흔들림과 가를 수 있습니다.

💡 생활 속 예시

비눗방울 겉에 무지갯빛 무늬가 일렁이는 것도 빛 두 줄기가 겹쳐 세지고 약해지는 간섭입니다.
소음 차단 이어폰은 들어오는 소리와 마루 · 골이 거꾸로인 소리를 내 서로 지워 조용하게 만듭니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

레이저 — 한 가지 색의 고른 빛을 냅니다.
빔 가르개 — 빛을 직각인 두 팔로 나눠 보냅니다.
4 km 팔 · 거울 — 빛이 팔 끝 거울에서 되비쳐 돌아옵니다.
광검출기 — 다시 겹친 빛의 밝기 변화를 잽니다.

레이저 빛을 빔 가르개로 두 팔에 나눠 보냅니다.
두 빛이 4 km 끝의 거울에서 되비쳐 돌아옵니다.
돌아온 두 빛을 겹쳐 간섭시킵니다.
팔 길이가 달라지면 밝기가 바뀌고, 두 관측소의 신호를 견줘 중력파를 가려냅니다.

확인된 값

LIGO 검출기 팔 길이 — L 자 모양, 4 km: 4000 m 출처
두 레이저 간섭계(핸퍼드 · 리빙스턴) 사이 거리 — 3000 km: 3000000 m 출처
미국 국립 과학 재단(NSF)이 모두 지원한다: U.S. NSF 출처
처음 잡은 중력파 GW150914 시각 (UTC): 2015-09-14T09:50:45Z 출처
신호가 리빙스턴(L1)에 먼저, 6.9 ms 뒤 핸퍼드(H1)에 닿았다: 0.0069 s 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 고급 물리학 · 광학 [12고물03-02]
호주 v9 · AC9S10U03

출처

이어서 보기

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