빛으로 맞춘 우주의 시계

[이한영 기자]

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우주에서 날아오는 전파는 극도로 미세해, 이를 정확히 포착하려면 여러 전파망원경이 동일한 시간과 상태로 움직여야 한다. 아주 먼 블랙홀을 또렷하게 보기 위해 필요한 조건이다. 이 난제를 풀기 위해 국내 연구진이 기준 신호 자체를 새로 설계하는 방식의 해법을 제시했다.

KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀은 한국천문연구원, 한국표준과학연구원, 독일 막스플랑크 전파천문연구소와 함께 광주파수빗 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 구현했다. 광주파수빗은 수많은 정확한 주파수가 일정 간격으로 배열된 레이저로, 과학계에서는 빛으로 만든 초정밀 기준 도구로 불린다. 연구진은 이 레이저를 관측 장비 내부로 전달해 관측 시점과 위상을 동시에 정렬하는 방식을 완성했다.

=천문연 운영 KVN평창망원경에서 왼쪽부터 KAIST 최준용, 정우송 연구원, 김정원 교수, 백지훈 연구원

초장기선 전파간섭계(VLBI) 관측의 관건은 각 전파망원경이 수신한 신호의 위상을 일치시키는 일이다. 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준 신호의 안정성이 떨어지는 문제가 있었다. 연구진은 기준 신호 생성 단계부터 광학 기술을 적용해, 위상 정렬의 근본적인 정확도를 끌어올리는 데 주력했다. 그 결과 기준 신호 생성과 위상 보정을 하나의 광학 시스템 안에서 처리하는 구조를 완성했다.

이번 기술은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경에서 시험 관측을 통해 검증됐다. 연구팀은 전파망원경 간 안정적인 간섭무늬를 검출하는 데 성공했고, 실제 관측을 통해 정밀한 위상 보정이 가능함을 확인했다. 최근에는 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 시스템이 추가 설치돼, 다수 관측소를 동시에 활용하는 실험으로 확장되고 있다.

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이 성과는 블랙홀 영상의 해상도를 높이는 데 그치지 않는다. 연구진은 장비 간 위상 지연 오차를 크게 줄일 수 있어, VLBI 관측 전반의 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 보고 있다. 나아가 대륙 간 초정밀 시계 비교, 우주측지, 심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 요구되는 분야로 활용 범위가 넓어질 가능성도 제시됐다.

김정원 교수는 "광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 새로운 기준을 제시한 연구"라며 "차세대 블랙홀 관측과 시간·주파수 계측 분야에 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 현민지 박사와 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 Light: Science & Applications 1월 4일자에 게재됐다. 연구는 국가과학기술연구회(NST) 창의융합연구사업과 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐다. /대전=이한영기자

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