KAGRA는 저잡음 Mephisto 레이저를 사용하는 최신 중력파 망원경입니다.

과제

일본 가미오카에 위치한 대규모 극저온 중력파 망원경(KAGRA)은 2020년 가동을 시작한 최신 중력파 관측소입니다. LIGO 및 Virgo와 마찬가지로 KAGRA는 레이저 기반의 마이컬슨 간섭계입니다. 중력파는 특정 공간을 통과할 때 두 간섭계 암의 길이에 작은 변화를 일으킵니다. 하지만 KAGRA 암의 길이가 3km이더라도 큰 중력파는 양성자 지름의 1000분의 1 미만 즉, 10^-19 m의 길이 변화를 일으킬 수 있습니다. 결과적으로 이러한 파동을 감지하는 데에는 신호 대 잡음비가 큰 과제입니다.

솔루션

KAGRA는 지하에 위치한 최초의 대규모 중력파 망원경으로서, 지각 노이즈와 중력 경도 노이즈를 줄여줍니다. 또한 열 노이즈를 억제하기 위해 최초로 극저온(20 캘빈)으로 작동합니다. 그 결과 낮은 온도에서 사파이어가 갖는 열 전도 특성과 1064nm 레이저 파장에 대한 높은 투명도로 인해 사파이어 테스트 매스(미러) 사용이 필요합니다.

Coherent Mephisto는 LIGO 및 Virgo에 사용된 것과 동일한 이유로 이 레이저 발진기에 사용되었습니다. Coherent Mephisto는 크기와 주파수 모두 레이저 업계에서 노이즈가 가장 낮은 레이저 발진기입니다. 단결정이 전체 레이저 캐비티를 형성하는 비평면 링 발진기(NPRO)를 기반으로 하므로, 본질적으로 안정적인 성능을 제공하고, 특별히 설계된 전자 장치를 통해 추가적인 개선이 가능하기 때문입니다. 그리고 Mephisto의 저잡음 1064nm 출력이 60와트 출력의 솔리드 스테이트 증폭기로 증폭되고 위상 및 진폭 노이즈가 추가로 억제됩니다. 그 결과 간섭계 암에서 0.4메가와트에 해당하는 순환력이 발생합니다.

도쿄공업대학의 후원으로 운영되는 KAGRA는 또한 LIGO 및 Virgo와 함께 향상된 데이터 및 더 높은 방향 정보를 제공하고 있습니다.

결과

KAGRA가 설계 민감도에 도달하면 많은 중력파 이벤트가 기록됩니다. 엔지니어 및 과학자들은 이미 이러한 간섭계의 놀라운 성능을 더욱 발전시킬 수 있는 방법을 찾고 있습니다! KAGRA와 도쿄공업대학의 연구실에서도 이를 위한 연구가 진행되고 있습니다. 이곳에서 Kentaro Somiya 교수와 연구진은 노이즈 감소를 연구하고 있습니다. Somiya 교수는 다음과 같이 설명했습니다. "KAGRA의 열 노이즈 감소 덕분에 레이저 시스템에서 데이터가 곧 주로 양자 물리학의 한계에서 레이저 진폭 및 위상의 불확실성인 양자 노이즈로 제한될 것입니다. 저희는 이러한 양자 노이즈 감소를 위해 몇 가지 새로운 방법을 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 Mephisto 발진기의 자연적인 낮은 노이즈가 아니면 불가능했을 것입니다." 이제는 KAGRA+ 및 기타 차세대 중력파 망원경에서 이러한 기술을 활용하는 것이 목표입니다. Somiya 교수는 중성자 별의 충돌로 발생하는 시공간의 잔물결 자국을 명확하게 관측하기 위해 kHz 범위로 감도를 향상시킬 수 있도록 독일에 위치한 600m 중력파 검출기인 GEO-HF에서 자신의 최첨단 기술을 구현하고자 노력하고 있습니다.

성공 사례 더 보기