‘우주를 보는 거대한 눈’ 전파망원경 'FAST'

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이정환의 ‘우주★천문 뉴스 파일’

관측과 분석 기술이 발전하면서 우리의 근원적 호기심을 자극하는 우주와 천문학의 새로운 연구 소식들이 잇따릅니다. 천문학을 공부하는 대학원생 이정환 님이 우주·천문 분야의 흥미로운 최근 소식을 간추려 독자들께 전해줍니다.


   중국의 세계최대 전파망원경 '패스트(FAST)' 완공


00FAST1.jpg » 그림 1 (왼쪽) 패스트(FAST) 전파 망원경 구경의 간략한 구조도. 지름이 500m에 달하는 단일 구경(single aperture)을 갖추고 있다. (오른쪽) 완공된 패스트 전파 망원경의 모습. 출처/ Rendong, N., et al. 2011, International Journal of Modern Physics D


난 7월, 중국 관영 신화통신은 중국이 세계 최대의 전파 망원경인 ‘500m 구경 구면 전파 망원경’(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, 이하 ‘패스트/FAST’)을 완공했다는 소식을 전했습니다. ‘패스트’ 전파 망원경은 이름 그대로 단일 구경의 지름이 500m에 달하는 거대한 전파 망원경으로, 지금까지 가장 큰 전파 망원경이었던 푸에르토리코 아레시보 천문대(Arecibo Radio Observatory)의 305m 구경 전파 망원경의 규모를 훨씬 뛰어넘습니다.


00FAST2.jpg » 패스트 전파 망원경은 베이징 남서쪽으로 약 2000 km 정도 떨어져 있는 구이저우(貴州) 성에 있다. 망원경이 지어진 곳은 함몰된 석회암 지대로, 인공적인 전파에 의한 잡음이 매우 적은 곳이라 한다. 출처/ http://fast.bao.ac.cn/


패스트 전파 망원경은 축구장이 무려 30개나 들어갈 만한 넓은 구면 구경으로 아레시보 전파 망원경보다 약 2~3배 더 좋은 수신 감도를 보입니다. 분해능(멀리 있거나 어두운 상들을 광학 기기가 선명하게 분해해내는 능력)도 2배 이상 좋아져 지금까지 관측된 천체들보다 훨씬 더 어두운 천체들까지도 패스트 전파 망원경을 통해 관측할 수 있습니다. 또한 모두 합쳐서 약 80도에 해당하는 넓은 시야각은 짧은 시간 안에 더 많은 천체들을 관측할 수 있게 합니다. 앞으로 패스트 전파 망원경이 별 문제 없이 정상 작동하기만 한다면 전파천문학 영역에서는 그야말로 ‘혁명’이 일어날 수 있는 셈입니다.


이렇게 우수한 전파 망원경으로 천문학자들은 무엇을 연구하려고 하는 것일까요? 전파를 수신하는 방식으로 우주를 관측하면 어떤 것들을 더 알 수 있을까요? 이 질문들에 대한 답을 알기 위해서는 먼저 전파의 정의와 그 성질에 대해 알아야 합니다.



전파의 기본 성질

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보통 파장이 1mm보다 긴 모든 전자기파(빛)를 통틀어 전파(radio wave)라고 부릅니다. 전파는 일상 생활에서 우리와 가장 친숙한 전자기파입니다. 핸드폰, 내비게이션, 라디오 등 모든 통신 기기들은 많은 전자기파 종류 중에서 전파만을 이용합니다. 이것은 전파와 같이 파장이 긴 전자기파들이 가진 중요한 속성 때문입니다.


빛은 파장이 길어질수록 에너지가 낮아지고 회절(diffraction) 효과가 잘 나타납니다. 다시 말하면, 빛의 진행 경로에 장애물이 있을 경우 그 장애물에 부딪혀 튕겨나가지 않고 피해서 잘 돌아갈 수 있다는 의미입니다. 전파는 파장이 가장 긴 전자기파이기 때문에, 그만큼 장애물들을 피해 회절하면서 구석구석 멀리까지 잘 전달될 수 있습니다. 그래서 통신 기기들은 모두 회절성이 큰 전파를 이용합니다. 만약 통신 기기들이 전파보다 파장이 짧은 가시광선을 이용했다면, 회절성이 약해 장애물에 쉽게 막히기 때문에 집 밖에 있는 사람들과는 연락을 주고 받기도 힘들었을 것입니다.


00FAST3.jpg » 전자기파의 종류를 파장과 주파수에 따라 나타낸 그림. ‘Visible spectrum’으로 표시된 좁은 영역이 인간이 볼 수 있는 가시광선 영역이다. 파장이 1mm(주파수 약 300GHz)보다 더 긴 파장대에 있는 전자기파를 보통 전파로 분류한다. 출처/ Wikimedia Commons


렇게 ‘회절성’이 강한 전파는 성간 먼지(은하 내 별과 별 사이에 존재하는 차가운 먼지 입자들)로 가려진 지역을 관측하기에도 유용합니다. 성간 먼지가 매우 많은 우리은하의 중심부 영역이나 성간분자운(성간 먼지 입자들이 서로 결합하여 분자 상태로 존재하는 구름)이 두껍게 분포하는 지역은 일반적인 가시광선으로는 관측이 거의 불가능한 곳입니다. 이러한 지역들을 전파 영역으로 관측한다면 성간 먼지에 가려진 천체들이나 가스도 관측할 수 있습니다.


00FAST4.jpg » 파장이 짧은 빛(푸른색)은 성간 먼지를 통과하면서 쉽게 산란되어 흩어진다. 반면에 파장이 긴 빛(붉은색)은 회절성이 강해서 성간 먼지 지역도 비교적 쉽게 통과할 수 있다. 출처/ Dmitri Pogosyan



패스트로 보는 우주, 무엇을 더 알 수 있을까

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그래서 패스트 전파 망원경의 주요 목적은 넓은 하늘 영역에서 중성 수소 가스를 탐사하는 일입니다. 우주 성간 물질의 대부분은 차가운 수소 원자들로 이루어져 있습니다. 이 수소 원자들은 온도가 매우 낮아서 파장이 21cm에 해당하는 전파 영역의 빛을 냅니다. 따라서 전파 망원경으로는 중성 수소 가스들의 분포를 탐사할 수 있습니다.


게다가 앞에서도 이야기했듯이 전파는 성간 먼지에 의한 방해를 덜 받기 때문에 성간 먼지가 많은 우리은하 중심부 지역에 있는 수소 가스들의 분포까지 관측할 수 있습니다. 더 나아가 패스트 전파 망원경은 세계 최대 크기의 구경으로 먼 우주에 있는 은하들의 중성 수소 가스들까지 탐지하고자 하는 목표를 가지고 있습니다.


00FAST5.jpg » 우리은하의 중성 수소 가스 분포를 전파 영역에서 관측한 사진. 중심부에 걸쳐 밝게 빛나는 부분이 수소 가스가 많이 분포하는 은하 원반 지역이다. 출처/ NASA/NRAO


파 영역에서는 주기적으로 강한 전파 신호를 내는 ‘펄서’(pulsar)도 관측할 수 있습니다. 펄서는 매우 무거운 별이 외피에 있는 물질들을 날려보내고 중성자들만 수축하여 남은 중성자별입니다. 이 중성자별은 강한 자기장을 가지고 매우 빠른 속도로 자전하면서 강한 엑스(X)선과 전파를 방출합니다.


00FAST6.jpg » 펄서의 상상도. 매우 빠른 자전 속도 때문에 양 극 방향으로 강한 전파를 방출한다. 출처/ space-art.co.uk 이렇게 강한 에너지가 수반되는 천문 현상이 항성 정도의 규모에서는 흔하지 않기에 천문학자들은 지금까지 전파를 이용하여 많은 펄서들을 관측하며 연구해왔습니다. 하지만 이론적으로 우리은하에 수 만개가 존재할 것이라고 예측되는 펄서는 아직까지 2000여 개 정도밖에 발견되지 않았습니다. 따라서 패스트 전파 망원경의 목표 중 하나는 우리가 볼 수 있는 펄서의 개수를 4000개까지 늘리는 것입니다. 또한 지금까지 발견되지 않았던 외부 은하의 펄서 관측에도 도전할 예정입니다.


쉽지는 않겠지만 패스트 전파 망원경으로 외계 지적 생명체를 탐사하는 일도 계획 중에 있다고 합니다. 외계 지적 생명체 탐사 프로젝트인 ‘세티’(SETI : Searching for Extra-Terrestrial Intelligence)는 외계에 문명을 이루고 살 수 있을 만한 고등 생명체들의 전파 메시지를 검출하는 것을 목표로 삼고 있습니다. 패스트 전파 망원경은 지금까지 SETI 프로젝트에서 이용해오던 전파 망원경보다 더 먼 곳의 전파 신호까지 감지할 수 있기 때문에 외계 지적 생명체의 신호를 잡아낼 수 있을 것이라는 기대도 큽니다. 이제껏 단 한번도 잡힌 적이 없었던 외계인들의 메시지가 패스트 전파 망원경에 검출될 수 있을지도 지켜볼 만합니다.



하늘을 보는 눈, 패스트

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다양한 파장대의 빛으로 우주를 볼 수 있다는 것은 행운입니다. 특히 인간이 볼 수 없는 영역의 빛으로 본 우주는 가시광선만 보고 사는 일상에서는 결코 느낄 수 없는 경이로움을 선물합니다. 이뿐 아니라 가시광선 이외의 다른 파장 영역의 빛은 가시광선으로는 할 수 없는 많은 연구들을 가능하게 합니다. 패스트 망원경이 이달 말부터 시험 가동을 시작하여 보게 될 전파 영역 역시 마찬가지일 것입니다.


스트 전파 망원경의 별명은 ‘톈안(天眼, 하늘의 눈)’이라고 합니다. 그 별명답게 우주를 보는 또 하나의 거대한 눈이 되어주길 기대해 봅니다.


[참고 자료]


[1] FAST - homepage. http://fast.bao.ac.cn/en/

[2] The world‘s largest radio telescope has just been completed. Astronomy Magazine, 6 Jul 2016

 http://astronomy.com/news/2016/07/the-worlds-largest-radio-telescope-has-just-been-completed

[3] China Finishes Building World’s Largest Radio Telescope. Space.com, 6 Jul 2016

 http://www.space.com/33357-china-largest-radio-telescope-alien-life.html

[4] Rendong, N., et al. THE FAST PROJECT, 2011, International Journal of Modern Physics D


이정환 서울대 물리천문학부 석박사통합과정   

@한겨레 과학웹진 사이언스온   



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이정환 서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정(천문학) 대학원생
이제 막 천문학의 바다를 항해하기 시작한 대학원생입니다. 아직 내공이 부족하지만 앞으로 연구도 잘하고 싶고 글도 잘 써보고 싶은 욕심 많은 과학도입니다.
이메일 : joungh93@gmail.com      
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