중력파 간섭계

중력파는 중성자 별이나 블랙홀과 같이 질량이 큰 물체가 가속되어 가까이에서 궤도를 따라 서로의 둘레를 돌 때 형성됩니다. 파동으로서 중력파는 광속으로 전파되어 시공간의 변형이 매우 적습니다. 아인슈타인의 상대성 이론이 나온 이래로 많은 과학자들은 분명히 중력파를 탐지하는 방법이 있을 거라고 한다고 확신해왔습니다. 가장 먼저 고려할 만한 방법은 1960년대로 올라갑니다. 이 아이디어는 간섭계를 기반으로 하여 레이저 광선에서 중력파의 상호 작용을 감지한 것으로 알려져 있습니다. 당시에는 이러한 도구 사용으로 인해 제기된 문제를 완전히 이해하기 어려웠습니다. 중력파의 강도 h = ΔL / L입니다. 이 경우 지구에서 4 km 길이의 Fabry 간섭계를 사용하면 ΔL은 10-18미터에 해당합니다. 이와 같은 증감을 감지하려면 극도로 정밀한 측정 계기가 필요합니다.

최초의 이러한 두 측정 계기는 각각 미국의 워싱턴 주와 루이지애나 주에 세워졌으며 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO: Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)라고 부릅니다. 여기에는 각국의 많은 대학과 연구소가 참여하고 있습니다

아인슈타인의 이론 검증에 기여한 진공:
LIGO의 공동 설립자인 라이너 바이스 교수(박사)와의 인터뷰

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어떻게 작동합니까?

검출기들은 미켈슨을 따른 간섭 방식으로 작동합니다. 검출기 내부에서는 광선 분할기에 의해 분할된 레이저 광선이 가능한 한 긴 두 경로를 거쳐 광학 미러 시스템을 통과합니다. 그런 후 이 레이저 광선은 검출기에서 합류합니다. 이런 식으로 중력파에 의해 레이저 광선에서 만들어지는 “비행 시간(time-of-flight)”의 가장 작은 차이까지도 측정할 수 있습니다.

진공 기술 문제와 관련하여 다음과 같은 측면에 주의를 기울여야 합니다.

진공실에 설치된 미러는 모든 종류의 오염에 민감합니다.
잔류 기체로부터의 광 산란 위상 노이즈를 최소화하기 위해 빔 튜브 내에 초고 진공(UHV)이 필요합니다.
진공 펌프를 포함한 완전한 구조는 진동이 거의 없어야 합니다.

중력파 검출을 위한 LIGO 간섭계의 개략도

진공 요구사항

LIGO는 실제로 다음과 같은 두 개의 진공 시스템으로 구성됩니다. 빔라인 및 엔드/코너 스테이션.

빔라인 튜브의 부피 V = 2천만 리터(사이트당)이고, 튜브의 내부 표면적은 6억 cm2(사이트당)입니다. 이 진공 시스템은 배기된 후 다시는 환기되지 않습니다. 잔류 기체 분자가 전방으로 산란되지 않으려면 10-7 Pa(10-9 mbar) 미만의 진공이 필요한데, 왜냐하면 그렇지 못할 경우 간섭계 출력에서 위상 잡음이 발생하기 때문입니다.

미러와 검출기가 있는 엔드 스테이션과 코너 스테이션의 챔버는 무엇보다도 극도로 청결해야 합니다. 미러 흡수율은 0.1 ppm 미만이어야 합니다. 광학 장치의 오염은 10년 동안 탄화수소의 1단분자층보다 얇아야 합니다. 빔튜브와 달리 코너 및 엔드 스테이션은 환기가 가능하며 챔버의 진공도 10-7 Pa (10-9 mbar)보다 낮아야 합니다.

제품 포트폴리오

LIGO는 세계에서 가장 큰 진공 기술 구조물 중의 하나입니다. 입자 가속기 및 융합 원자로와 달리, 방사능 환경이 없으며 고온이나 이온이 생성되지 않습니다. 파이퍼 베큠은 LIGO 관측소에서 수행한 많은 실험에 필요한 진공 장비를 제공했습니다. 건식 배압 펌프와 함께 HiPace 터보 펌프를 사용하여 챔버를 배기합니다. 파이퍼 베큠의 수많은 잔류 가스 분석용 질량 분석기와 리크 감지기가 LIGO 장비의 여러 부분에 사용되고 있습니다.

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