전파망원경은 우주에서 오는 미세한 전파 신호를 포착해 이를 천체 이미지로 바꾸는 장비입니다.
아주 먼 블랙홀을 선명하게 관측하려면, 여러 대의 전파망원경이 하나의 장비처럼 같은 시각에 우주 신호를 포착해야 하죠. 한국과학기술원(KAIST) 연구진은 레이저 빛을 이용해 이들의 관측 시점과 위상을 정밀하게 맞추는 '기준 신호 기술'을 개발했습니다.
KAIST는 기계공학과 김정원 교수 연구진이 한국천문연구원(KASI), 한국표준과학연구원(KRISS), 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동으로, 광주파수빗(Optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 최초로 구현했다고 15일 밝혔습니다.
일반적인 레이저는 한 가지 색(주파수)만 내지만, 광주파수빗 레이저는 수만 개 이상의 매우 정확한 색들이 일정한 간격으로 줄지어 배열돼 있어요.
이 모습이 마치 빗처럼 보여 '주파수 빗(Frequency comb)'이라는 이름이 붙었죠. 광주파수빗 레이저는 각 빗살 하나하나의 주파수를 정확히 알 수 있고 그 간격 또한 원자시계 수준으로 정밀하게 맞출 수 있어 과학자들 사이에서는 '빛으로 만든 초정밀 자'로 불립니다.
여러 전파망원경이 동시에 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 기술의 핵심은, 각 망원경이 수신한 전파 신호를 마치 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상(Phase)을 일치시키는 것인데요. 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려, 이를 바탕으로 한 정밀한 위상 보정을 수행하는 데 한계가 있었습니다.
이에 KAIST 연구진은 “기준 신호의 생성 단계부터 빛을 활용해 위상 정렬의 근본적인 정밀도를 높이자”는 발상으로, 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달하는 방식을 개발했어요. 이를 통해 기준 신호 생성과 위상 보정 문제를 하나의 광학 시스템으로 동시에 해결하는 데 성공했습니다.
기존 방식이 관측 주파수가 올라갈수록 '눈금이 미세하게 떨려 위상을 맞추기 어려운 자'와 같았다면, 이번 기술은 '극도로 안정적인 빛으로 위상을 고정하는 초정밀 자'로 기준을 세운 것에 비유할 수 있어요. 그 결과 멀리 떨어진 전파망원경들이 하나의 거대한 망원경처럼 정교하게 연동될 수 있는 기반을 마련했습니다.
이 기술은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경에서 시험 관측을 통해 검증됐어요. 연구진은 전파망원경 간 신호의 안정적인 간섭무늬(Fringe)를 검출하는 데 성공했고, 정밀한 위상 보정이 가능함을 실제 관측으로 입증했습니다. 최근 이 시스템은 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 추가 설치돼, 여러 관측소를 동시에 사용하는 확장 실험으로 이어지고 있어요.
연구진은 이번 성과를 바탕으로 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측할 수 있을 뿐 아니라, VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 위상 지연 오차를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
이번 기술은 천문 관측에만 국한되지 않아요.
연구진은 향후 이 기술이 ▲ 대륙 간 초정밀 시계 비교 ▲ 우주측지 ▲ 심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 첨단 분야들로 확장 활용될 수 있을 것으로 보고 있어요.
이번 연구에는 KAIST의 현민지 박사(現 한국표준과학연구원)와 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 Light: Science & Applications (IF=23.4) 1월 4일자에 게재됐습니다.
※논문명: Optical frequency comb integration in radio telescopes: advancing signal generation and phase calibration
최성훈 기자 csh87@etnews.com