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- "해양 파도는 측정을 방해하는 매우 낮은 주파수의 느린 진동을 발생시킨다"
- 진동 방지 시스템은 10~30Hz 범위의 낮은 "윙윙" 소리를 발생시켜 낮은 주파수 대역에서 감지 가능한 중력파의 범위를 제한
- 딥 루프가 기존 제어 시스템보다 30~100배 더 효과적으로 잡음을 억제할 수 있음을 보여

소음 제거 및 인공지능
중력파 천문학의 미래

중력파 천문학 시대가 막 시작되었으며, 이를 위한 도구는 점점 더 발전하고 다양해지고 있다. 추가적인 관측소 설치뿐 아니라 인공지능 또한 활용되고 있다. 인공지능은 검출기의 배경 소음을 더욱 줄이는 데 도움을 줄 것이다. 

▲ LIGO 검출기의 거울은 방해 진동을 최소화하기 위해 자유롭게 설치된. 그럼에도 불구하고 배경 소음은 여전히 ​​존재한다. © Google DeepMind

거울 속의 파동 소음

LIGO 검출기가 상상할 수 없을 정도로 미세한 중력파의 움직임을 포착하려면 지구의 모든 진동으로부터 보호되어야 한다. 이를 위해 시설의 측정대에 설치된 거울은 특수 추에 의해 자유롭게 매달려 안정된다.

하지만 이것만으로는 충분하지 않다. 핸퍼드와 리빙스턴에 있는 두 개의 LIGO 시설은 해안에서 멀리 떨어져 있지만, 멀리 떨어진 태평양의 파도는 거울에 측정 가능한 진동을 생성한다. 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)의 크리스토퍼 위프는 "마치 LIGO 검출기가 해변에 서 있는 것 같다"며 "해양 파도는 측정을 방해하는 매우 낮은 주파수의 느린 진동을 발생시킨다"고 설명했다.

부작용이 있는 소음 제거

이 문제에 대한 해결책은 헤드폰과 동일한 원리를 기반으로 하는 소음 제거다. "이 헤드폰을 착용하고 해변에 앉아 있다고 상상해 보세요. 마이크가 바닷소리를 녹음하면 시스템은 이 파도 소음을 상쇄하는 반대 소음을 생성한다"고 Wipf는 설명한다. "LIGO에서도 비슷한 방식으로 해양 진동 및 기타 간섭 효과를 제어한다.“

하지만 여기에는 대가가 따른다. Wipf는 "조용한 환경에서 소음 제거 헤드폰을 주의 깊게 들어보면 희미한 쉬익 소리가 들릴 것이다"고 설명했다. 이 미약하지만 꾸준한 소음은 헤드폰과 헤드폰의 전자 장치에서 발생한다. LIGO에서도 마찬가지다. 진동 방지 시스템은 10~30Hz 범위의 낮은 "윙윙" 소리를 발생시켜 낮은 주파수 대역에서 감지 가능한 중력파의 범위를 제한한다. 5,000Hz에서 10Hz까지 감도가 높아지는 대신, 관측소의 감도는 약 30Hz까지만 확장되고 나머지는 험(hum:웅웅거리는) 소리에 묻혀 사라진다.

문제는 바로 이 깊은 파장 범위에 특히 크고 무거운 블랙홀의 시공간적 진동이 숨겨져 있다는 것이다. 이미 관측 가능한 항성 블랙홀의 나선형 죽음의 춤(descending dance)의 시작 또한 이 깊은 파장 범위에 있다. LIGO 팀은 "이 범위에서 감도를 높일 수 있다면 LIGO의 도달 범위와 과학적 성능이 크게 향상될 것이다"고 설명했다. 하지만 어떻게 가능할까?

▲ 소음 제거 시스템은 LIGO 거울의 배경 소음을 줄여주지만, 이로 인해 낮은 윙윙거리는 소리가 남는다. © Caltech/MIT/ LIGO Lab

인공지능으로 험(hum) 소리에 맞서다.

이 부분에서 인공지능이 등장한다. 천체물리학자들은 알파폴드(AlphaFold), 알파고(AlphaGo), 알파제로(AlphaZero)와 같은 유명한 AI 시스템을 개발한 연구 센터인 구글 딥마인드(Google DeepMind)의 요나스 부클리(Jonas Buchli)가 이끄는 연구팀에 연락했다. LIGO를 위해 연구팀은 "딥 루프(Deep Loop)"라는 인공지능 시스템을 개발하고, 검출기의 가상 복제본에 대한 제어 시스템을 변조하여 낮은 험(hum)이 사라지도록 특별히 훈련시켰다.

캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)의 라나 아디카리(Rana Adhikari)는 "저희는 훈련 데이터를 제공했고, 구글 딥마인드(Google DeepMind)가 시뮬레이션을 실행했다. 기본적으로 수십 개의 가상 LIGO를 병렬로 실행했다"고 설명했다. "훈련은 컴퓨터 게임과 같다. AI 시스템은 험을 줄이는 점수를 받았고, LIGO 게임에서 반복적으로 승리하기 위해 노력했다.“

부클리(Buchli)와 그의 동료들은 Science 논문(doi: 10.1126/science.adw1291)에 "저희 연구 결과는 딥 루프가 기존 제어 시스템보다 30~100배 더 효과적으로 잡음을 억제할 수 있음을 보여준다"고 보고했다. "신경망의 제어 잡음은 양자 요동과 열역학으로 인한 잡음보다 훨씬 낮다. 3Hz에서 30Hz 사이의 중요한 파장 범위에서 최대 두 자릿수까지 잡음이 감소하는 것을 확인했다.“

▲ AI 시스템(파란색)과 기존 제어 시스템(빨간색)으로 달성한 소음 감소 비교. © Google DeepMind

리빙스턴에 있는 LIGO에서 새로운 AI 지원 제어 시스템에 대한 첫 번째 실제 테스트가 이미 성공적이었다. 위프는 "이 도구는 지구 기반 검출기의 잠재력에 대한 우리의 이해를 바꾸고 있다"고 말하며, "엄청나게 어려운 문제를 훨씬 쉽게 해결할 수 있게 해 준다"고 덧붙였다.

인도를 위한 새로운 LIGO

기존 검출기 개선 외에도 중력파 천문학은 새로운 관측소의 등장으로 더욱 발전하고 있다. 첫 번째 신규 관측소는 인도에 설치된 새로운 LIGO 검출기로, 미국 두 관측소를 모델로 한 측정 시설이다. 레이저 간섭계는 2020년대 말 이전에 완공될 예정이며, 이를 통해 전 세계 중력파 검출기 네트워크가 확장될 것이다.

▲ 인도에 새로운 중력파 검출기가 건설되고 있다. LIGO-India는 전 세계 검출기 네트워크의 해상도를 크게 향상시킬 것이다. © LIGO-India

이를 통해 관측 공간 분해능이 향상되고 기존 관측 범위의 공백이 해소될 것이다. 아디카리(Adhikari)는 "LIGO-인도 프로젝트는 중력파 발생 위치를 10배 더 정확하게 파악할 수 있도록 지원할 것이다"고 말했다. 특히 중성자별 충돌로 인해 발생하는 약한 신호를 더욱 쉽게 파악할 수 있게 될 것이다.

미래: 아인슈타인 망원경, 우주 탐사선, 그리고 LISA

또 다른 프로젝트는 각각 10km 길이의 세 개의 측정 경로를 갖춘 유럽 레이저 간섭계인 아인슈타인 망원경이다. 이 시설은 중력파 관측소의 관측 범위를 크게 확장할 수 있다. 그러나 아인슈타인 망원경의 위치는 아직 결정되지 않았다. 독일, 벨기에, 네덜란드 국경 삼각지대와 작센, 사르데냐, 헝가리가 모두 고려 중이다. 2026년에 위치가 결정되고 2028년에 공사가 시작돼 아인슈타인 망원경은 2035년에 완공될 예정이다.

미국에서는 더욱 큰 규모의 중력파 관측소인 코스믹 익스플로러(Cosmic Explorer) 건설 계획도 진행 중이다. 코스믹 익스플로러는 현재 LIGO 관측소보다 10배 긴 40km 길이의 측정 팔을 갖출 예정이다. 더욱 야심찬 계획은 "레이저 간섭계 우주 안테나"(LISA)다. 250만 km 간격으로 배치된 세 개의 측정 위성으로 구성된 이 임무는 거대한 중력파 검출기를 형성한다. 발사는 2035년으로 예정되어 있다.

"불과 10년 전, LIGO는 중력파에 대한 우리의 눈을 처음으로 열어 우주에 대한 우리의 시각을 변화시켰다"고 미국 국립과학재단(NSF)의 아미르 알리(Aamir Ali)는 말했다. "이 새로운 도구들을 통해 우리는 완전히 새로운 방식으로 우주를 탐험할 수 있다. 하지만 이제 막 시작일 뿐이다." (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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