2. 기초과학 분야 대용량 실험데이터 활용
2.2. 천체물리 분야
2.2.1 중력파 실험(Gravitational Wave Research) 가. 실험 인프라 개요
❏ 실험 주도 기관
◦ LVKG(LIGO, VIRGO, KAGRAm, GEO600이 참여하는 4대 중력파 관측소)가 협력하여
“중력파 탐지 전세계 네트워크”를 구축하여 협력함
- 이전에는 LSC(LIGO Scientific Collaboration)라고 하는 미국 관측소(LIGO) 중심의 협력체가 주도하였으나 지금은 미국 관측소(LIGO), 이탈리아 관측소(VIRGO), 일본 관측소(KAGRA), 독일 관측소(GEO600)가 협력하는 모습으로 확대 변화하는 중
- 기존 LSC 협력체에는 전 세계 18개 국가, 108개 기관에서 1300여명 이상의 연구자가 참여.
VIRGO에는 12개 국가 106개 연구기관 550명 참여. KAGRA에는 15개 국가, 100개 연구소 360명 참여, 독일 GEO600에는 LIGO 멤버 중 150여명 참여
❏ 주요 실험 장비
◦ 미국 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)
- 미국 LIGO는 서로 분리된 4Km 길이의 두 개의 중력파 검출 설치 시설로 구성됨. 하나는 핸포드 워싱턴에 있고 다른 하나는 루이지애나주 리빙스턴에 있으며 두 개가 하나의 관측 시스템으로 운영됨
◦ 실제 운영 기관은 캘리포니아 공과대학교(Caltech)와 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 컨소시엄인 LIGO 연구소가 운영 중. 국립과학재단이 후원하는 LIGO는 물리학과 천체물리학 모두를 위한 국제적인 자원임.
◦ 이탈리아 중력파 관측소(VIRGO)
- 3Km 길이의 관측장비, 프랑스와 공동으로 운영
◦ 독일 중력파 관측소(GEO600)
- 3Km 길이의 관측장비 독일 하노버 맥스플랑크 연구소에 위치. 영국과 공동으로 운영
◦ 일본 중력파 관측소(KAGRA) - 3Km 길이의 관측 장비
❏ 데이터 인프라
◦ 데이터 공개
- LIGO는 미국 NSF의 DMP(Data Management Plan)규정에 따라 데이터를 공개하게 되어있음. 모든 보정된 변형률 데이터, 데이터 품질 플래그 및 하드웨어 주입 시간 데이터를 공개함. 공개는 6개월마다, 6개월 기간의 데이터 블록을 공개함
- 데이터 획득 후 통산 18개월의 대기 시간이 소요됨, 이는 협업으로 데이터를 검증, 보정 및 처리하는 시간인데 점점 줄어들 것을 예상됨
◦ 데이터 크기
- Advanced LIGO의 경우 데이터 전송 속도는 IFO(Interferometer)당 약 25MB/s이며, 총 전송률은 연간 약 1.5PB에 달함
- 원시 LIGO 데이터는 보조 측정 및 모델과 결합하여 중력파 변형 신호를 나타내는 시계열을 구축함
- 또한 추가될 수 있는 보조 장치 및 환경 모니터링 채널 데이터가 큼
◦ 데이터 컴퓨팅 센터 규모 예시(독일 GEO600)
- 아틀라스 컴퓨팅클러스터가 3,000대의 컴퓨팅 서버에서 50,000개 이상의 물리적 CPU 코어 (약 90,000개의 논리적 코어)로 확장됨. 또한 약 350장의 고성능, 전문 그래픽 처리 장치 (GPU) 카드가 기존의 특수 목적 컴퓨팅용 약 2,000장의 세트에 병렬로 추가됨. 이러한 추가는 Atlas의 이론적 피크 컴퓨팅 능력을 2PFLOP/s 이상으로 높임
나. 주요 실험 소개
❏ 실험 방법
◦ 중력파 신호를 검출한 라이고(LIGO)의 기본구조는 마이컬슨 간섭계에 기반을 두고 있음.
마이컬슨 간섭계의 경우, 빛의 속도 변화를 측정하는 것이 주된 목적인 반면에 라이고의 경우에는 거리 변화를 측정하는 것이 주된 목적임
- 라이고에서는 각각의 빛이 4km 길이의 ‘패브리-페로 관’에서 반사를 통해 수백 번 왕복하는 과정을 거친 다음에 합쳐지도록 함. 이는 중력파로 인해 라이고의 크기에서 나타나는 아주 미세한 거리 변화를 수백 배로 증폭하는 효과를 만들어냄
- 라이고는 각각의 빛을 400번 왕복하게 만들어 무려 1600km 크기에 이르는 마이컬슨 간섭계를 사용한 것과 같은 효과 창출
<그림 11> LIGO 실험시설 개요
❏ 과학 실험
◦ 블랙홀과 중성자 별의 병합 연구
- 블랙홀, 중성자 별과 같은 작고 거대한 물체가 서로 회전할 때, 그들은 서서히 점점 가까워져 마침내 합쳐져서 블랙홀을 형성함. 이 현상을 병합이라고 함
- 그러한 이 두 시스템은 긴 수명 동안 주파수와 진폭이 동시에 증가하는 중력파의 방출에 의해 에너지를 잃어 감. 두 개 별의 병합 단계의 마지막 단계에서, 중력파가 서로 10, 100, 1000번 회전할 때, 충돌 몇 초 전에 중력파 탐지기가 감지할 만큼 충분히 강해짐
<그림 12> 중력파를 방출하는 2개의 중성자 항성계의 병합 단계
◦ 중성자 별의 회전에 관한 연구
- 중성자 별은 빠르게 회전하고 자성이 높은 항성으로, 거대한 별의 잔해 중심부가 초신성 폭발을 겪었음을 나타냄. 중성자 별은 극한 물체로 태양과 대략 같은 질량을 가지고 있지만 반경 10km의 구체로 집중되어 있고, 초당 1000번까지 회전할 수 있음. 만약 항성이 표면에 아주 작은 "산"만 있는 완전한 구형이 아니라면, 그것은 연속적인 중력파를 발생시킬 것임
- 펄사(Pulsar)는 자성 비대칭 중성자 별의 특별한 경우로, 우리는 별이 스스로 한 바퀴를 돌 때마다 주기적인 빛 섬광을 받음. 중성자 별의 관찰은 그들의 내부 구조에 대한 중요한 정보를 제공할 것임. 태양 인접지역과 우리 은하계에서도 중성자 별들이 방출하는 중력파를 탐색이 가능함
<그림 13> 알려진 펄사를 대상으로 중력파 측정 시도
◦ 버스트와 초신성 연구(Bursts and supernovae)
- "중력파 버스트"는 몇 밀리초에서 몇 초까지 지속되는 짧은 중력파 신호에 붙여진 총칭임 - 중력파 탐지기로 초신성으로 알려진 거대한 별의 말기에 발생하는 중력 붕괴의 중심을 관찰할
수 있게 될 것임. 은하수 같은 은하계에는 세기 당 그런 초신성이 몇 개밖에 없음. 그들의 관찰을 통해 우리는 폭발 중에 분출된 물질 뒤에 숨겨진 것이 무엇이고 블랙홀이 어떻게 생성되는지를 더 잘 이해할 수 있을 것임
<그림 14> 초신성 예시
❏ 융합 연구
◦ 광열공통경로 간섭계(Photo-thermal common-path interferometry) 연구
- 비선형 광학 재료를 상업적으로 사용하기 위해서는 비선형 계수와 이륜성 이외의 성질을
- LSC 데이터 분석 노력의 일환으로, 준주기적 신호의 검출과 생산을 개선하기 위해 FTC(Fast Chirp Transform)라고 불리는 알고리즘을 개발함. FTC는 다차원 고속 푸리에 변환(FFT)을 일반화한 것임. 경계 구간에 대한 위상 계수는 시간 영역 내 입력 신호의 시간 의존적 주파수 특성을 설명하는 위상 함수를 사용하여 계산함
◦ 대규모 분산 과학 커뮤니티를 위한 연합 ID 관리 기술 연구
- LIGO는 인터넷2, iPlant Collaborative, Project Balf와 함께 국립과학재단이 후원하는 COmanage를 구축하고 있음. COmanage 협업 조직이 응용프로그램과 서비스에 대한 효과적이고 안전한 액세스를 관리하기 위한 도구임.
◦ 플랑크 양자 지오메트리의 프로브로서의 간섭계 개발
- 과학자 Hogan 등에 의하면 우리의 3차원 세계는 플랑크 스케일의 우주 시간의 새로운 특성이 될 수 있다는 가설을 수립할 수 있음
- 중력파 간섭계 기술은 이러한 추측을 확인할 수 있는 수단을 제공함. 이 프레임워크에서 고려되는 미셸슨 간섭계의 빔플리터는 팔의 원형 트립 시간으로 분리된 두 번에 걸쳐 광자에 의해 측정되는 시험 질량임. ichelson 기하학은 X 좌표와 Y 좌표를 동시에 측정함. 중력파 간섭계 언어에서 홀로그램 노이즈의 유효 변종은 플랑크 시간의 제곱근(h is 10-22Hz-1/2)에 의해 주어짐
2.2.2 초대형 우주 전파/광 망원경 분야 가. 실험 인프라 개요
❏ 실험 주도 기관
4)◦ LSST(large Synoptic Survey Telescope) Corporation
- 미국의 기업, 대학교, 연구소 등 22개소가 협력하여 LSST Corporation이라는 비영리 회사를 설립
- 주요 재정 분단 계획은 미국 과학재단(NSF) 2.42억 달러, 미국 에너지성 0.96억 달러, 비정부 기금 0.52억 달러
- 23개국, 40여 연구기관, 700여명이 참여
◦ ELT(Extremely Large Telescope) 유럽 초대형 망원경 - ESO(European Southern Observatory)가 주도함 - 14억 달러의 예산으로, 칠레 체로 아마조네스에 구축함 - 2017년 착공 2025년 가동
◦ GMT(Giant Magellan Telescope) 거대 마젤란 망원경 - 한국 천문연구원도 참여(1년 증 한 달 사용권 확보)
- 7억 달러(인텔 창업자인 무어 재단에서 지원), 칠레 라스캄파나스 , 1년 중 80%가 맑은 날씨인 사막 지대), 주변에 사람이 살지 않아서 어두운 천체까지 관측 가능
- 2025년 가동 예정
◦ TMT(Thirty Meter Telescope) 30미터 망원경
- 미국의 캘리포니아 공과대학, 캘리포니아 주립대학 연합, 캐나다 학연 연합(ACURA)이 추진하고 있는 거대망원경 건설 사업
- 2020년 완공 예정이나 하와이 원주민의반대로 지연 중(2027년 가동 예정)
❏ 주요 실험 장비
◦ LSST
- LSST는 칠레 중부의 체로 파촌(Cerro Pachon) 천체관측단지 내 해발 2682미터 위치에 설치될 예정인 구경 8.4미터의 대형 망원경, 또는 그것을 활용한 관측 계획을 가리킴
4) 세계적으로 4대 초대형 우주 관측 장치가 구축되고 있음. 이들 4대 장치를 간략히 소개하고 기본 내용은 LSST 중심으로 동향을 작성함
- 우주 지도를 제작, 암흑물질과 암흑에너지의 정체를 밝히며 다양한 천체를 관측하는 것을 목적으로 함
- 2015년도에 공사가 시작. 첫번째 시험은 2019년이고 실제 관측은 2022년부터 계획되어 있음
<그림 15> LSST 픽셀 카메라
◦ ELT(Extremely Large Telescope) 유럽 초대형 망원경
- 망원경은 5개의 미러로 구성되는데 며, 최대 구경은 39.3 미터로 1.4미터 거울 798개로 만듦
- 미러 3개는 축(anastigmat)에 설치되고 2개는 접이형 거울로서 적응형 광학 장치에 사용됨
◦ GMT(Giant Magellan Telescope) 거대 마젤란 망원경5)
- 구경 25.4 미터, 한국 천문연구원도 참여(1년 증 한 달 사용권 확보)
◦ TMT(Thirty Meter Telescope) 20미터 망원경
- 구경 30미터, 직경 1.4미터짜리 육각 거울 492장을 모아서 직경 30미터짜리 주경을 형성함
❏ 데이터 인프라
◦ LSST 관측 데이터의 크기
- 한 해에 20만장 촬영, 즉 1.28 PB(PB). 하루에 30TB에 해당
- 방대한 자료처리 기술을 공동 개발하고 관측된 우주의 모습을 서비스하기 위해 구글(Google)이 참여하고 있음
5) 거대마젤란망원경의 주반사경은 직경 8.4미터짜리 반사경 일곱 장을 모아서 하나의 반사경 표면을 이루도록 제작
<그림 16> LSST 데이터 프로세싱
◦ 누적 데이터의 크기
- 10년 동안 수집한 데이터의 총량은 약 60PB이며, 이 데이터를 처리하면 20PB 카탈로그 데이터베이스가 생성됨
- 데이터를 모두 처리하고 나면 총 데이터 볼륨은 수백 PB가 됨. 첫 번째 데이터 릴리즈에서 약 150TFLOPS(초당 수십억 개의 부동 소수점 운영)의 컴퓨팅 성능을 사용하여 처리 - 10년차 조사 종료 시의 Data Release 11에서는 950TFLOPS로 컴퓨팅 성능을 증가함
◦ 데이터 인프라 : 데이터 관리 시스템은 3개 계층으로 구성됨. 인프라 계층, 시스템 소프트웨어 계층(미들웨어 계층) 그리고 응용 계층임
- 인프라 계층은 스토리지 및 네트워킹 하드웨어로 구성
- 미들웨어 계층은 시스템 소프트웨어, 분산 처리, 데이터 액세스, 사용자 인터페이스 및 시스템
- 미들웨어 계층은 시스템 소프트웨어, 분산 처리, 데이터 액세스, 사용자 인터페이스 및 시스템