레이저 빛으로 블랙홀 더 선명하게…전파망원경 혁신 기술 개발

광주파수빗 레이저 전파망원경 수신기 직접 적용 기술 원리(KAIST 제공) /뉴스1

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국천문연구원(KASI), 한국표준과학연구원(KRISS), 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동으로 광주파수빗 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.

일반적인 레이저는 한 가지 색(주파수)만 내지만, 광주파수빗 레이저는 수만 개 이상의 매우 정확한 색들이 일정한 간격으로 줄지어 배열돼 있다. 이 모습이 마치 빗처럼 보여 '주파수 빗'이라는 이름이 붙었다. 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.

여러 전파망원경이 동시에 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 기술의 핵심은 각 망원경이 수신한 전파 신호를 마치 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상을 일치시키는 것이다. 하지만 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려 정밀한 위상 보정을 수행하는 데 한계가 있었다.

이에 KAIST 연구진은 '기준 신호의 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. 멀리 떨어진 전파망원경들이 하나의 거대한 망원경처럼 정교하게 연동될 수 있는 기반이다.

이 기술은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경에서 시험 관측을 통해 검증됐다. 연구팀은 전파망원경 간 신호의 안정적인 간섭무늬를 검출하는 데 성공, 정밀한 위상 보정이 가능함을 실제 관측으로 입증했다. 최근 이 시스템은 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 추가 설치돼 여러 관측소를 동시에 사용하는 확장 실험으로 이어지고 있다.

연구팀은 이를 통해 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측할 수 있을 뿐 아니라, VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적되는 장비 간 위상 지연 오차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 기술은 천문 관측에만 국한되지 않고 향후 △대륙 간 초정밀 시계 비교 △우주측지 △심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 다양한 첨단 분야로 확장 활용될 수 있을 전망이다.

김 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.

KAIST 현민지 박사와 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 '빛 과학과 응용(Light: Science & Applications)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr

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