북극의 망원경 두 대, 지구를 재다

퀘이사가 내뿜는 강력한 전파를 수신하는 접시 모양의 구조물은 과학자들 사이에서 전파망원경으로 불린다.

주로 퀘이사가 내뿜는 강력한 전파를 포착하여 천문학적 연구에 활용하며, 이를 통해 수십억 광년 떨어진 우주를 상세히 들여다볼 수 있다.

퀘이사는 은하 중심의 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이면서 내뿜는 강력한 빛으로, 지구에서 수십억 광년 떨어져 있어 마치 우주의 등대처럼 항상 같은 자리에 위치한다.

이러한 퀘이사의 고정된 특성 덕분에 지구상에서 움직이는 망원경들의 상대적 위치를 측정하는 데 안정적인 기준점으로 활용된다.

망원경이 천체를 얼마나 선명하게 보는지의 능력은 망원경 입구, 즉 구경의 크기에 따라 결정된다.

빛은 구경을 통과할 때 회절 현상이 발생하여 상이 뭉개지는데, 구경이 작을수록 이 현상이 심해져 선명도가 떨어진다.

특히 전파는 가시광선보다 파장이 수만 배 이상 길어 회절이 훨씬 심하게 발생하므로, 전파 천체를 선명하게 구분하려면 망원경의 구경이 매우 커야 한다.

아주 멀리 떨어진 두 전파망원경으로 같은 천체를 동시에 관측한 후, 수신된 두 신호를 정밀하게 겹치면 마치 두 망원경 사이의 거리를 지름으로 하는 거대한 가상의 망원경과 같은 선명도를 얻을 수 있다.

이 간섭계 기술은 실제로는 구현하기 어려운 거대한 단일 망원경의 효과를 만들어 내며, 이를 통해 사건의 지평선 망원경이 블랙홀의 그림자를 촬영하는 데 성공하기도 했다.

이러한 간섭계 기술을 지구 규모로 확장한 것을 ‘VLBI’라고 부르며, 이는 ‘아주 긴 기선(Baseline)의 간섭계(Interferometry)’를 의미한다.

VLBI는 수천 킬로미터 떨어진 두 망원경에 도착하는 전파의 미세한 시간차를 정밀하게 측정하고 합성하여 지구 전체를 아우르는 하나의 거대한 가상 망원경처럼 작동한다.

VLBI 관측의 핵심은 수천 킬로미터 떨어진 두 관측소 시계의 완벽한 동기화에 있다. 두 망원경에 도착하는 전파의 시간차를 1조 분의 1초, 즉 피코초 수준으로 정밀하게 측정해야 한다.

일반적인 인터넷 시간 동기화의 오차 범위는 0.001초로 VLBI에 필요한 정밀도에는 훨씬 못 미치며, 이를 위해 수소 메이저 시계와 같은 초정밀 원자시계가 사용되어 14억 2천만 분의 1초 단위로 시간을 측정한다.

세슘 원자시계보다 측정 박자가 일정해 안정도 10^-14를 달성한 수소 메이저 시계는 수소 기체를 원자로 분해해 공동에 주입한 뒤 특정 전파를 가하는 공명 과정을 거친다.

이러한 유도 방출 원리를 통해 세슘 원자시계보다도 훨씬 더 일정한 박자를 생성하며, 10^-14에 달하는 극히 높은 시간 안정도를 달성한다.

지구 자전축의 세차운동과 판의 이동을 측정하는 이 기술은 우주 공간의 퀘이사를 고정된 기준으로 삼아 지상 망원경 간 기선을 파악하는 측지학적 도구가 된다.

이를 통해 연간 수 센티미터에 달하는 판의 이동과 지구 자전의 미세한 변화를 측정할 수 있으며, 윤초 결정 및 지구 자전축의 세차운동 관측에 필수적인 유일한 기술로 사용된다.

북위 78도 56분에 위치한 뉘올레순 관측소는 전 세계 VLBI 관측망의 최북단에 자리하고 있어 전략적 가치가 높다.

이 관측소는 다른 모든 관측소와 남북으로 길게 뻗은 기선을 형성함으로써 지구 전체 관측 효율을 극대화하며, 북극권의 특성상 퀘이사가 항상 하늘에 떠 있어 모든 관측소와 상시 협력이 가능하다.

초당 12도로 회전하는 VGOS 시스템은 대기 수증기로 인한 신호 지연을 보정하고, 한 대가 수리 중일 때도 관측 공백을 메우며 가동률을 최적화한다.

초당 12도로 빠르게 회전하는 VGOS 시스템을 통해 대기 상태를 실시간으로 정밀 분석하며, 한 대가 점검이나 수리를 받는 동안에도 북극점 관측 데이터의 공백이 발생하지 않도록 하여 네트워크의 핵심 역할을 지속할 수 있다.

전파망원경의 심장부인 수신기 공간은 망원경 조작에 따라 이리저리 움직이므로, 약 120kg에 달하는 전파 수신 안테나를 포함한 모든 장비가 철저하게 고정되어야 한다.

정비와 수리의 편의성을 위해 레일 시스템을 설치하여 무거운 수신기를 외부 발코니까지 이동시킬 수 있도록 설계되었다.

전파망원경 수신기 내부에는 ‘콜드 헤드’라는 장치가 열을 적극적으로 제거하여 극저온 냉각을 수행한다. 수신기의 가장 낮은 냉각 온도는 8켈빈(영하 265도)에 달한다.

이러한 초저온 냉각은 전자 장비에서 발생하는 열잡음을 최소화하여, 우주에서 오는 극히 미약한 퀘이사 신호를 더욱 선명하게 관측할 수 있도록 돕는 핵심 기술이다.

VLBI는 퀘이사를 기준으로 지구의 ‘방향’과 자전을 측정하며, SLR은 위성이 지구 질량 중심 주위를 돌기 때문에 지구의 ‘중심’이 정확히 어디인지를 파악한다.

이러한 기술들은 전 세계 좌표를 촘촘히 연결하는 GPS 시스템과 함께 작동한다.

이 세 가지 첨단 기술의 통합은 지구의 변화를 정확하게 추적하는 ‘국제 지구기준좌표계(ITRF)’를 구성하는 핵심 요소다.

빙하가 녹아 가벼워진 지각이 눌려 있던 압력에서 벗어나면서 뉘올레순 지반은 2000년대 이후 융기 속도가 점진적으로 빨라지고 있다.

이는 주변 빙하가 녹아 무게가 줄어들면서 그 아래 눌려 있던 지각이 천천히 튀어 오르는 현상으로, VLBI 망원경은 우주 퀘이사를 절대 기준으로 삼아 이러한 지반의 미세한 높이 변화를 정밀하게 측정한다.

북극 전파망원경이 서 있는 지표면은 1년에 약 8mm씩 상승하고 있으며, 특히 2000년대 이후 그 속도가 점점 빨라지는 추세다.

이러한 현상은 주변의 빙하가 녹아내리면서 지각을 누르던 하중이 감소하여 지반이 위로 솟아오르는 지각 융기 때문이다.

이 망원경은 수십억 광년 떨어진 퀘이사를 기준점으로 삼아 이러한 지반의 정밀한 높이 변화를 밀리미터 단위로 추적하며 지구의 지각 변동을 연구한다.

전 세계 해수면이 1년에 3~4mm가량 상승한다고 알려져 있지만, 이를 측정하는 지표면 자체가 1년에 8mm씩 움직이고 있어 측정의 기준이 흔들리는 문제가 발생한다.

지구상에는 완전히 고정된 지점이 없기 때문에, 우주 외부의 고정된 퀘이사를 절대 기준으로 삼아 지구 어디가 얼마나 움직이는지를 밀리미터 단위로 정확하게 파악해야 한다.

이를 통해 빙하 감소량이나 해수면 상승률과 같은 지구 변화를 오차 없이 측정하는 것이 가능하다.

과학쿠키는 인공지능이 제공하는 단순한 답변을 넘어서는 가치를 창출하기 위해 콘텐츠 기획에 많은 고민을 하고 있으며, 이로 인해 영상 제작 주기가 길어지기도 한다.

채널 운영 8년 차를 맞이하며 북극 시리즈 3편을 추가 제작할 예정이고, 과학 논문을 기반으로 한 카드뉴스를 통해 시청자들이 능동적으로 토론할 수 있는 문화 조성을 시도하고 있다.