우주 과학 10편 우리나라에서는 왜 전파망원경을 설치하나요?

전파망원경

전파망원경은 우주로부터 오는 전파를 수신해서 외계 지적 생명체 탐색 및 우주의 기원 등을 연구하기 위해 건설되는 대형 망원경입니다. 현재 세계 최대 규모의 전파망원경이 칠레에 건설 중이며, 우리나라에서도 한국천문연구원과 서울대학교가 공동으로 직경 21m급의 전파망원경을 개발중이에요.

우리나라에서는 왜 전파망원경을 설치하나요?

천문학자들이 하는 일은 크게 두가지로 나눌 수 있는데요, 첫번째는 관측이고 두번째는 이론 입니다. 천문학자들은 지구 대기권 밖 천체들을 관측하면서 은하계나 성단 같은 구조물 형성 과정을 이해하게 되고, 이를 토대로 새로운 별 생성 모델을 만들어내거나 블랙홀 질량 계산등 다양한 분야에 활용됩니다. 하지만 이 모든것 이전에 선행되어야 하는 작업이 바로 '관측' 인데요, 아무리 뛰어난 이론이라도 직접 눈으로 보는것만큼 확실한건 없겠죠? 그래서 국내 천문과학자들은 국제공동프로젝트인 거대마젤란망원경(GMT) 프로젝트에 참여하거나 자체적으로 전파망원경을 제작하며 꾸준히 관측활동을 하고 있답니다.

국내 최초의 전파망원경은 어떤 모습인가요?
한국천문연구원 소속 KVN (Korea VLBI Network) 은 지름 21m 크기의 전파망원경 6개를 연결시켜 만든 거대한 전파망원경 집합체라고 보시면 됩니다. 각 전파망원경마다 서로 다른 주파수 대역을 이용하는데, 예를 들어 1번 전파망원경은 2~4GHz 를, 2번 전파망원경은 4~8GHz 의 주파수를 각각 처리한다고 해요. 이렇게 하면 동시에 여러 신호를 잡아낼 수 있고, 그만큼 해상도도 높아져서 훨씬 선명한 영상을 얻을 수 있게 된답니다. 특히 2019년 하반기부터는 본격적인 가동에 들어갈 예정이라 기대감이 더욱 커지고 있어요.

세계 최대규모의 전파망원경은 어디에 있나요?
칠레 아타카마 사막에 위치한 알마 전파망원경 시스템이랍니다. 미국 국립전파천문대 산하 기관인 ALMA 가 운영하는 곳으로, 단일 안테나로는 세계 최대크기랍니다. 무려 305m 에 달하는 길이 덕분에 약 100억 광년 떨어진 퀘이사까지도 관측이 가능하다고 하니 엄청나죠? 이곳 역시 2019년 하반기부터 본격적인 가동에 들어갈 예정이기 때문에 앞으로 많은 사람들의 관심을 받을 것 같아요.

전파망원경은 우주로부터 오는 전파를 수신하기 위해 높은 고도에 설치되는 망원경입니다. 우리나라에서는 한국천문연구원과 연세대 등 여러 기관에서 전파망원경을 운용하고 있으며, 이 중에서도 지름 8m급의 대형 전파망원경인 KVN-8(한국우주전파관측망)이 대표적입니다. 

KVN-8이란 무엇인가요?
KVN-8은 국내 최초이자 세계 세 번째로 건설된 직경 8m급의 초거대 마젤란 망원경으로서, 2017년 10월 완공되어 현재 시험 가동 중이며 2021년 정식 운영될 예정입니다. ‘마젤란’이라는 이름은 하와이 섬 남동쪽 1,500km 해상에 위치한 산봉우리로서, 지구상에서 가장 큰 망원경이 이곳에 자리잡고 있어서 붙여진 이름입니다.

초대형 광학망원경과 전파망원경의 차이점은 무엇인가요?

광학망원경은 빛을 이용해서 천체를 관측하는 망원경이고, 전파망원경은 전파를 이용해서 천체를 관측하는 망원경입니다. 따라서 두 망원경 모두 눈으로는 보이지 않는 먼 곳의 천체를 관측한다는 공통점이 있지만, 각각 장단점이 존재합니다.
먼저 광학망원경은 가시광선 영역 내에서만 관측이 가능하지만, 파장이 긴 적외선 및 자외선 영역까지도 관측이 가능하다는 장점이 있습니다. 또한 크기가 작고 제작비용이 저렴하며, 다양한 종류의 렌즈를 조합함으로써 원하는 형태의 망원경을 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 반면에 광량이 부족하면 분해능이 떨어지고, 초점거리가 길수록 상이 흐려지는 단점이 있습니다.
반면에 전파망원경은 넓은 범위의 주파수 대역을 동시에 관측할 수 있고, 작은 안테나로도 많은 수의 별들을 관측할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 안테나가 크고 무거워지며, 다른 장비 없이 단독으로 활용하기 어렵다는 단점이 있습니다.

세계 최대 규모의 거대 마젤란 망원경 VS KVN-8
그렇다면 이제 본격적으로 세계 최대 규모의 거대 마젤란 망원경과 KVN-8의 차이를 살펴보겠습니다. 먼저 둘 다 같은 구경이지만, 길이 면에서 엄청난 차이가 납니다. 무려 2배 이상의 차이가 나는데요. 이렇게 거대한 차이는 결국 무게와도 연결됩니다. 다음 그림처럼 약 5톤 가량의 차이가 나기 때문에, 운반 방법에서부터 차이가 날 수밖에 없습니다.
또한 천문학자들이 주로 보는 대상 역시 차이가 납니다. 일단 주 관측대상 자체가 다른데요. 예를 들어 미국 캘리포니아주에 위치한 아레시보 천문대에 있는 HARPS라는 망원경은 태양계 밖 행성 탐사 목적으로 만들어졌기 때문에, 외계행성 탐색 연구에 적합합니다. 그러나 KVN-8은 우주의 기원 규명 또는 블랙홀 형성 과정 추적 등 거시적인 주제를 다루기 때문에, 보다 고해상도의 영상을 얻을 수 있습니다.
마지막으로 주요 임무 수행 방식에서의 차이가 있습니다. 앞서 언급했듯이 KVN-8은 기존의 단일 지향성 반사굴절망원경과는 달리 다중 지향성 구조이기 때문에, 특정 방향으로만 집중되지 않고 모든 방향으로부터 들어오는 신호를 수집할 수 있습니다. 즉, 한 번에 다수의 목표물을 포착할 수 있으므로 효율성이 매우 높습니다.

 

전파망원경은 천체관측용 망원경 중 하나로 우주로부터 오는 전파를 수신해서 별과 은하 등 우주의 모습을 관측하는 장치입니다. 최근 우리나라에서도 한국천문연구원 소속 연구진이 세계 최대 규모의 전파망원경인 ‘초장기선 간섭 관측’(VLBI) 프로젝트에 참여하게 되었는데요. 이 VLBI프로젝트는 미국 국립전파천문대 산하 아레시보 천문대에 설치된 지름 305m짜리 전파망원경 8개를 이용해 지구 크기의 가상 망원경을 만들어 외계 지적 생명체 탐색 작업을 진행하는 사업입니다. 이번 프로젝트에서는 특히 기존 방식과는 달리 4세대 이동통신 기술인 LTE망을 활용한다고 하는데요. 이를 통해 초당 100GB급 속도로 데이터를 전송받아 더욱 정밀한 분석이 가능해질 전망이라고 합니다.

전파수신이란 무엇인가요?
천체로부터 나오는 전파를 수신한다는 뜻이에요. 천문학자들은 하늘 위에 떠있는 수많은 별들을 관찰하기 위해 여러가지 방법을 사용하는데요. 대표적으로 빛을 내는 항성을 직접 보는것이죠. 하지만 밤하늘엔 태양처럼 스스로 빛을 내는 항성이 너무 많아서 일일이 다 보기란 불가능하답니다. 그래서 눈에 보이지 않는 다른 파장의 신호를 포착하려고 노력했는데요. 그게 바로 전파랍니다. 가시광선 영역 밖의 주파수를 가진 전자파를 의미하며 라디오나 텔레비전 방송 통신등에 쓰이는 파동이랍니다.

왜 하필 전파망원경 인가요?
우주는 아주 넓고 광활한데 비해 인간이 사는 지구는 매우 작죠. 따라서 멀리 떨어진 곳으로부터 오는 정보를 수집하려면 최대한 많은 수의 안테나를 연결해야한답니다. 안테나는 주로 높은 산꼭대기나 사막 같은 곳에 설치되는데요. 문제는 이렇게 넓은 지역에 안테나를 설치하면 엄청난 전력이 소모된다는 점이었어요. 게다가 날씨라는 변수 또한 존재했죠. 이러한 문제점을 해결하기 위해 고안된 게 바로 전파망원경이랍니다. 전파망원경은 거대한 접시모양으로 생겼는데요. 각각의 접시안테나들이 서로 떨어져있고 가운데 부분에만 커다란 반사판이 있답니다. 각 안테나 사이 공간으로는 공기가 채워져있는데요. 이곳에선 전파신호가 굴절되면서 약해지는데 이것을 막기위해 진공상태로 유지시킨답니다. 그리고 동시에 강력한 자기장을 형성시켜 외부 잡음을 차단하기도 하죠. 덕분에 먼곳으로부터의 미세한 전파신호까지도 잡아낼 수 있게 되었답니다.

4세대 이동통신기술과의 차이점은 무엇인가요?
기존 1~3세대 이동통신방식은 음성통화 위주였다면 4세대 이동통신부터는 데이터전송속도가 비약적으로 발전했어요. 이론상으론 2시간 분량의 영화 한편을 10초만에 내려받을 수 있다고 해요. 실제로 5G시대가 열리면 지금보다 훨씬 빠른 속도로 대용량 데이터를 주고 받을 수 있겠죠? 다만 아직까지는 상용화되지 않았기 때문에 현재로선 와이파이를 통한 인터넷 접속이 주를 이루고 있죠. 앞으로 다가올 5G시대에서의 활약이 기대되는군요.

오늘은 전파망원경에 대해 알아보았는데요. 인류 역사상 최초로 달에 착륙한 닐 암스트롱 역시 “이것은 한 인간에게는 작은 발걸음이지만 인류 전체에게 있어서는 위대한 도약이다”라고 말한 바 있듯이 과학기술의 발전은 이제 겨우 첫걸음을 내딛었을 뿐이라는 걸 잊지 말아야겠습니다.