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- 지금까지 많은 장파장 중력파가 감지기에 탐지되지 않는다.
- 시공간의 느린 진동은 달과 지구 사이의 거리를 변화시킨다.
- 레이저를 사용해 밀리미터 단위까지 측정, 초대질량 블랙홀의 진동을 포착

중력파 탐지기로서의 달
달에서 거리의 작은 변동은 아직 측정되지 않은 파(wave)를 나타낼 수 있다.

미묘한 신호:
지금까지 많은 장파장 중력파가 감지기에 보이지 않는다. 달이 그 사각지대를 채울 수 있다는 것을 연구원들이 발견했다. 이러한 시공간의 느린 진동은 달과 지구 사이의 거리를 변화시키며 이는 레이저를 사용해 밀리미터 단위까지 측정할 수 있다. 이것은 또한 초대질량 블랙홀의 진동을 포착할 수 있다. 

▲ 여기에 표시된 것처럼 레이저로 달의 거리를 측정하면 이전에 감지할 수 있었던 주파수를 넘어 중력파를 감지할 수 있었다. © NASA/GSFC

천문학자들은 미국의 LIGO나 이탈리아의 Virgo와 같은 중력파 탐지기로부터 우주에 대한 완전히 새로운 통찰력을 얻는다. 이 장치들은 시공간의 떨림으로 인한 방사선을 방출하지 않아 망원경에 보이지 않는 사건을 처음으로 "도청"할 수 있다. LIGO 등 탐지기는 1에서 1,000Hz 범위에서 진동하는 중력파만을 듣는다. 이 파장만이 킬로미터 길이의 레이저 간섭계를 편향시킬 만큼 충분히 짧다.

그러나 많은 우주적 사건은 중력파를 일으켜 탐지기에 너무 느리게 진동한다. 여기에는 예를 들어 일부 은하의 심장에 있는 초 거대질량 블랙홀을 도는 극적인 "죽음의 춤"이 포함된다. 빅뱅 직후의 사건은 마이크로헤르츠 범위의 중력파 에코를 남겼을 수도 있다. 파장은 몇 주에서 1년 사이일 수 있다.

이중 시스템의 공명 효과

이러한 중력파를 포착하는 방법은 현재 바르셀로나 자치 대학교의 디에고 블라스와 런던 대학교의 알렉산더 젠킨스가 제안했다. Jenkins는 "이 아이디어는 파도가 지구-달 시스템을 포함한 쌍성계의 궤도에 어떻게 영향을 미치는지 측정하는 것이다"고 말했다.

시공간의 진동이 두 천체 사이의 거리에 영향을 미칠 수 있기 때문에 모든 것이 작동한다. 그러나 이 효과는 두 천문학자가 설명하는 것처럼 중력파가 진동하는 주파수에 따라 달라진다. 시공간의 진동이 두 파트너의 궤도 주기에 해당하거나 그 진동수가 궤도 진동수의 정수배인 경우 측정 가능한 거리 변동을 일으킬 수 있는 공명 효과다.

▲ LIGO, Virgo 및 KARGA 감지기는 상대적으로 단파 중력파만 감지할 수 있다. © peterschreiber.media/ 게티 이미지

탐지기로서의 달 레이저 측정

흥미로운 점은 지구-달 시스템에서 이러한 미묘한 변동을 측정하기 위해 천문학은 새로운 탐지기가 필요하지 않다는 것이다. 달까지의 거리는 이미 정기적으로 밀리미터 단위로 측정되고 있기 때문이다. 이것은 아폴로 임무의 우주비행사들이 지구의 위성에 남긴 일련의 거울에 의해 가능하게 되었다. 그들은 지구에서 오는 레이저로 표적이 되며 이 방사선의 반사와 이동하는 데 걸리는 시간이 거리를 알려준다.

Blas와 Jenkins가 계산한 것처럼 이 LLR(Lunar Laser Ranging)은 이미 마이크로헤르츠 범위의 중력파를 포착하기에 충분할 수 있다. "모든 LLR 측정이 지구-달 거리를 약 3밀리미터의 정확도로 결정한다는 사실을 고려할 때, 그러한 측정을 통해 약 1천 번의 측정 캠페인이 이미 이 신호를 감지할 수 있었다"고 연구원들은 말했다.

우주를 위한 새로운 "귀“

천문학자들에 따르면, 중력파 탐지기로 달로부터의 거리를 사용하면 이전에는 감지할 수 없었던 시공간의 진동에 대한 완전히 새로운 통찰력을 제공할 수 있다. "마이크로헤르츠 범위를 다루는 것은 어려운 일이지만, 이 확장은 우리 우주의 진화와 그 구성에 대한 정확한 그림을 얻는 데 중요하다"고 Blas는 말했다.

달 레이저 거리 측정을 사용하면 새로운 기술을 개발하지 않고도 이러한 통찰력을 수집할 수 있다. "이것은 중력파를 측정하는 흥미롭고 새로운 방법"이라고 리스본 첨단 기술 센터(Lisbon High Technology Center)의 비연구 물리학자 Vitos Cardoso가 말했다. "이 아이디어는 간단하지만 작동하려면 어려운 계산이 필요하다." Blas와 Jenkins는 최근 일부 예비 작업을 완료했다.
(Physical Review Letters, 2022; doi:10.1103/PhysRevLett.128.101103)
출처: Universitat Autònoma de Barcelona, ​​미국 물리 학회(APS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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