전세계 전파망원경 동시 관측 오차 해결…우주 위치 측정역량↑
전파망원경은 우주에서 오는 미세한 전파 신호를 포착해 이를 천체 이미지로 바꾸는 장비다. 아주 먼 블랙홀을 선명하게 관측하려면 여러 대의 전파망원경이 하나처럼 정확히 같은 시각에 우주 신호를 포착해야 한다. 레이저 빛을 이용해 전파망원경 관측 시점과 위상을 정밀하게 맞추는 기술이 처음 개발됐다. KAIST는 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국천문연구원(KASI), 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성), 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동으로 광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 처음 구현했다고 15일 밝혔다. 일반적인 레이저는 한 가지 색(주파수)만 내지만, 광주파수빗 레이저는 수만 개 색들이 일정한 간격으로 줄지어 배열된다. 마치 빗처럼 보여 '주파수 빗(frequency comb)'이라고 부른다. 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 불린다. 과학자들은 블랙홀 등 우주를 관측할 때 정확도와 연속성 등을 위해 전세계 전파망원경을 서로 연결한다. 대표적인 예가 전세계 8대 전파망원경을 연결한 '사건의 지평선 망원경(EHT)'이다. 이때 가장 핵심기술이 동시 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 기술이다. 각 망원경이 수신한 전파 신호를 마치 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상(phase)을 일치시키는 것이다. 그러나 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려, 이를 바탕으로 한 정밀한 위상 보정을 수행하는 데 한계가 있었다. 연구팀이 이 문제를 세계 처음 해결했다. KAIST 연구진은 '기준 신호 생성 단계부터 빛(레이저)을 활용해 위상 정렬의 근본적인 정밀도를 높이자'는 발상으로, 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달하는 방식을 개발했다. 이를 통해 기준 신호 생성과 위상 보정 문제를 하나의 광학 시스템으로 동시에 해결하는 데 성공했다. 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 있다. 한국표준과학연구원 현민지 박사는 "멀리 떨어진 전파망원경들이 하나의 거대한 망원경처럼 정교하게 연동될 수 있는 기반을 마련한 것"이라고 말했다. 연구팀은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경을 이용해 시험 관측으로 가능성을 검증했다. 전파망원경 간 신호의 안정적인 간섭무늬(fringe)를 검출하는 데 성공했다. 또 정밀한 위상 보정이 가능함도 실제 관측으로 입증했다. KAIST 김정원 교수는 "최근 이 시스템을 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 추가 설치해, 여러 관측소를 동시에 사용하는 확장 실험으로 이어지고 있다"고 설명했다. 연구팀은 실제 이를 통해 불확도 등이 구체적으로 얼마나 개선됐는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 연구팀은 향후 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측할 수 있을 뿐 아니라, VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 장비 간 위상 지연 오차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 ▲대륙 간 초정밀 시계 비교 ▲우주측지 ▲심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 다양한 첨단 분야로 확장 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 김정원 교수는 “이번 연구는 광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 기존 전자식 신호 생성 기술의 한계를 뛰어넘은 사례”라며, “차세대 블랙홀 관측의 정밀도를 높이고, 주파수 계측과 시간 표준 분야 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했다. 연구는 KAIST 현민지 박사(현 한국표준과학연구원 연구원)와 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 김정원 교수도 주저자로 참여했다. 연구 성과는 광학분야 국제 학술지(Light: Science & applications, IF=23.4)에 게재됐다. 연구비는 국가과학기술연구회(NST)가 창의융합연구사업으로 지원했다.
