‘전파망원경’ 서울, 울산, 제주 찍고…

전파망원경은 우주에서 오는 전자기파를 관측하는 장비다.

5월 초 연세대학교는 서울 신촌 캠퍼스에 국내 최대의 전파천문대를 건설하겠다고 발표했다. 지름 20m, 높이 30m의 전파망원경과 관측소, 연구센터 등을 갖춘 전파천문대는 연세대 노천극장 뒤쪽 언덕에 들어선다. 한국천문연구원과 체결한 ‘우주전파관측망(KVN Korea VLBI Network)’ 협정에 따라 올 하반기에 착공, 2007년에 완성할 계획이다.

전파망원경은 우주전파를 관측하는 망원경이다. 일반적으로 전파라고 하면 통신수단을 먼저 떠올리지만 우주에서 발생한 특이한 전파도 있다. 별이 폭발하거나 은하들이 충돌하는 우주의 사건은 가시광선 자외선 적외선 X선 등 다양한 파장의 전자기파를 발생시킨다. 우주의 역사가 전자기파에 담겨 있는 셈. 때문에 눈에 보이는 가시광선만으로 우주를 보는 것은 나무만으로 숲 전체를 파악하려는 것과 같다. 따라서 파장이 1mm에서 100m인 전파로도 우주를 관측할 필요가 생긴다.

파장 적은 우주전파까지 관측

그런데 공기가 탁한 서울에서 전파망원경으로 관측하는 것이 가능할까. 맑은 날, 높은 산 등에 망원경을 설치하는 것이 천문학의 상식. 전파천문대 역시 도심에서는 휴대전화 중계탑 기지국 군사통신장비 등에서 나오는 각종 전파의 영향을 받는다. 한국천문연구원의 김현구 박사는 “전파망원경도 광학망원경처럼 청정지역에 설치하는 것이 바람직하지만 도심에 설치할 경우 건설비와 유지비가 적게 드는 장점이 있다”고 설명했다. 또한 전파망원경은 광학망원경과 달리 낮에도 관측이 가능하고, 수증기만 없다면 구름(얼어 있는 경우)이 있어도 관측하는 데 지장을 받지 않아 도심에 설치한다고 해도 크게 문제 되지는 않는다.

한국천문연구원이 진행하는 KVN 사업은 연세대(서울)를 비롯해 울산대(울산), 탐라대(제주)에 지름 20m급 전파망원경을 각각 설치해 이를 동시에 운용하는 것이다. 당초 2005년까지 완공할 예정이었으나 최근 총사업비가 230억원으로 상향 조정되면서 사업기간도 2007년까지로 늦춰졌다.



전파망원경을 여러 대 설치해 이를 동시에 운용하려는 이유는 무엇일까. 전파망원경의 경우 전파가 가시광선보다 파장이 길기 때문에 똑같은 크기의 망원경이라면 가까이 있는 두 천체를 구별하는 능력인 분해능이 광학망원경보다 떨어진다. 전파망원경은 이런 약점을 보완하기 위해 크기를 키워나갔지만 크기 경쟁에서 곧 한계에 부딪혔다. 그래서 고안된 방법이 여러 대의 전파망원경을 동시에 연결해 마치 하나의 거대한 전파망원경과 같은 효과를 내게 하는 것이다.

미국의 천문학자 칼 세이건 원작의 영화 ‘콘택트’를 보면 미국 뉴멕시코 주에 25m 크기의 전파망원경 27대가 Y자 모양으로 배치된 모습이 등장한다. 이 경우 파장 1.3cm 대역에서는 지상의 광학망원경보다 뛰어난 분해능이 있다. 이보다 더 높은 분해능을 얻기 위해 고안된 방법이 초장기선 전파간섭계(VLBI·Very Long Baseline Interferometer)다. 전파망원경과 관련된 세계적 협업 추세 속에서 한국이 계획하고 있는 KVN도 VLBI 방식이다. 이는 같은 천체를 다른 장소에 있는 여러 대의 전파망원경으로 동시에 관측하는 방식이다.

한국의 KVN(연세대 울산대 탐라대)이 완성되면 이 세 곳의 망원경으로 각각 관측한 신호에 대한 종합분석이 가능해진다. 연세대 망원경과 탐라대 망원경을 잇는 500km 정도의 거대 전파망원경으로 관측하는 것과 같은 효과를 볼 수 있다. 다시 말하면 허블 우주망원경보다 수십 배, 지상의 천체망원경의 수천 배 이상의 분해능으로 우주를 관측할 수 있는 셈이다.

일본의 전파위성(HALCA)과 우주를 연결하는 VLBI 개념도(왼쪽).대덕전파천문대에 위치한 국내 유일의 전파망원경.

KVN을 건설하는 과정에는 전파망원경뿐만 아니라 이와 관련된 각종 첨단장비나 첨단기술이 필요하다. 김현구 박사는 “고속기록기, 수소메이저시계(수소원자시계), 수신기, 영상합성기 등이 대표적인 예”라고 말한다. 세 군데의 망원경에서 하루종일 관측한 자료는 수십 테라바이트나 되기 때문에 최대 4Gbps의 초고속으로 자료를 기록할 수 있는 고속기록기가 필요하다. 현재 한국천문연구원은 미국 MIT의 헤이스택 관측소와 함께 VLBI용 고속기록기를 개발하고 있다.

KVN에서는 각 전파망원경이 동시에 한 천체를 관측하는 것이 중요하기 때문에 원자시계로 측정한 정확한 시간정보를 관측정보와 함께 기록해야 한다. 그래야 이를 모아서 관측자료를 종합·분석할 수 있다. KVN에는 수소원자의 진동주기를 이용한 수소메이저 시계가 쓰일 전망이다. 이 시계는 1초에 10억분의 1에서 100억분의 1의 정확도를 보인다.

우주전파의 신호는 수신기나 안테나, 또는 대기에서 발생하는 잡음에 비해 굉장히 미약하기 때문에 잡음을 줄이기 위해 수신기를 헬륨으로 냉각할 필요가 있다. 또 세 군데에서 기록된 자료로 영상을 합성하는 데도 고난도의 기법이 요구된다. VLBI용 영상합성기가 필요한 것이다.

KVN이 가동되면 은하에 있는 각종 전파를 내는 천체와 별이 탄생하는 영역, 강력한 물질을 방출하는 외부 은하핵 등을 세밀하게 연구해 우주의 신비를 밝혀낼 수 있다. 그리고 천체의 정확한 위치부터 한반도의 지각운동, 울산 부근 단층대나 제주도의 움직임 등을 밀리미터 단위까지 측정할 수 있다. 이는 인공위성을 이용한 GPS 시스템보다 더 정밀한 것이다.

한국형 KVN 사업에 참여한 과학자들은 “앞으로 북한의 나진 선봉, 평양 남포에 추가로 2대의 전파망원경이 설치된다면 한반도 전체 크기의 망원경이 탄생한다”고 설명했다. 또한 일본의 전파망원경과 협력해 아시아 권역을 묶는 세계적인 전파관측망을 형성해나갈 수도 있다. 물론 전파 분야에서 한국 천문학 연구가 한 단계 업그레이드되는 것이 전제조건이다.