중력파를 주제로 한 실험 도구 및 교육용 콘텐츠 개발

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 중력파의 개념과 중력파 관측장비를 설명하는 실험 중심의 교육 도구와 교육 콘텐츠를 개발하는 것을 목적으로 한다. 2015년 중력파의 최초 관측 이후, 천문학계는 전자기파와 중력파를 동시에 관측하는 다중 신호 천문학으로 관측적 발전이 되어가고 있으며, 중력파를 활용한 허블 상수 측정 등 우주론적 논의도 함께 이뤄지고 있으나, 이에 대한 대중의 이해도는 높지 않은 상황이다. 학습자의 중력파에 대한 흥미 유발을 위해 중력파 검출기의 역사를 정리하였고, 내용 이해도를 높이기 위해 실험 도구를 중력파, 중력파 관측장비 부분에서 각각 3개, 2개씩 제안하였다. 현재 검출 가능한 중력파의 근원을 설명하기 위해, ‘나선운동 – 병합Ⅰ’ 실험, ‘나선운동 – 병합Ⅱ’ 실험, ‘병합 – 안정화’ 실험을 설계하였다. 이 과정에서 ‘천의 흔들림’, ‘젤라틴의 흔들림’, ‘줄에 매달린 공’으로 시공간의 흔들림을 모사하였으며, 밀집 천체 한 쌍이 합병하는 과정에서 발생하는 시공간 흔들림의 재현과 분석을 수행할 수 있도록 유도하였다. 해당 과정의 분석 도구는 휴대폰과 트랙커 프로그램, 음향 프로그램, 직접 개발한 ‘궤도 주기 분석’, ‘주파수 분석’ 프로그램이며, 이를 통해 물체의 움직임을 정량적으로 분석할 수 있다. 중력파 검출기 원리에 대한 설명을 위해 ‘LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소) 지진동 격리’ 실험, ‘중력파 근원 위치 찾기’ 실험을 제안하였다. ‘중력파 근원 위치 찾기’에서는 직접 개발한 PC 환경의 시뮬레이션을 통해 중력파 위치 탐지 방법을 쉽게 학습할 수 있도록 설계했다. 대상은 중학생 이상의 모든 사람이며, 현직 지구과학 교사 8인에게 해당 교육 도구 및 콘텐츠를 적용하여 적절성을 확인하였다. 다양한 교육기관, 학교 현장, 가정에서 활용 가능하며, 학습자들이 중력파에 대한 이해를 깊이 있게 발전시키는 데 기여할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 필요성 2
• 가. 중력파 교육 사례 2
• 나. 중력파 교육의 중요성과 활용 방안 4
• II. 이론적 배경 7
• 1. 중력파와 중력파의 근원 7
• 가. 중력파 7
• 나. 중력파의 근원 10
• 2. 레이저 간섭계 중력파 관측소 11
• 가. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) 11
• 나. VIRGO (Virgo Interferometer for Gravitational-Wave Observations) 13
• 다. KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) 13
• 라. LIGO, VIRGO 공동 관측 14
• 마. LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration (LVK Collaboration) 14
• 3. 다중 신호 천문학(Multi-Messenger Astronomy) 15
• 가. 중력파 발견 15
• 나. GW170817의 발견과 다중 신호 천문학의 도약 16
• 다. 다중 신호 천문학의 응용과 우주론적 의미 16
• 4. 파이썬을 통한 GUI 구현 16
• 가. GUI(Graphic User Interface) 16
• 나. 파이썬과 GUI 개발 17
• 다. 파이썬 GUI의 특징 18
• 5. 해외 중력파 관련 교육용 실험 18
• 가. 'Coalescing Black Holes' 활동 18
• 나. 'Dropping In With Gravitational Waves' 활동 21
• 다. 'Activity Pack A Seismic Isolation' 활동 23
• 라. 'Activity Pack E Data Analysis' 활동 25
• III. 연구 목표와 연구 문제 27
• 1. 연구 목표 27
• 2. 연구 문제 27
• IV. 연구 방법 29
• 1. 콘텐츠 적용 방법 31
• 가. 대상 선정 31
• 나. 적용 내용 32
• 다. 자료 수집 33
• V. 연구 결과 36
• 1. 콘텐츠의 핵심 내용 범위 설정 36
• 가. 중력파 검출기의 역사 37
• 나. 중력파와 관련된 개념 37
• 다. 중력파 검출기와 관련된 개념 40
• 2. '중력파 검출기의 역사' 자료 제작 41
• 3. '중력파와 관련된 개념' 실험 개발 42
• 가. 나선운동 병합Ⅰ 실험 43
• 나. 나선운동 병합Ⅱ 실험 61
• 다. 병합 안정화 실험 90
• 4. '중력파 검출기와 관련된 개념' 실험 개발 97
• 가. 'LIGO 지진동 격리' 실험 98
• 나. '중력파 근원의 위치 찾기' 실험 102
• 5. 공개 교육자료 개발 116
• VI. 결과 분석 및 토의 118
• 1. 결과 분석 118
• 가. 개별 교사별 설문 응답 분석 118
• 나. 종합 분석 128
• 2. 토의 128
• VII. 결론 및 제언 130
• 1. 결론 130
• 2. 제언 131
• 참고 문헌 133
• 부록 138
• [부록 1] 138
• [부록 2] 140
• [부록 3] 142
• [부록 4] 149