아주 먼 우주의 블랙홀을 선명하게 관측하려면 여러 대의 전파망원경이 마치 하나의 거대한 망원경처럼 정확히 같은 시각에 신호를 포착해야 한다. 이를 위해서는 관측 시점과 위상을 극도로 정밀하게 맞추는 기준 신호 기술이 필수적이다. KAIST 연구진이 레이저 빛을 활용해 전파망원경의 관측 기준을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다.
KAIST는 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국천문연구원, 한국표준과학연구원, 막스플랑크 전파천문연구소와 공동으로 광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.
광주파수빗 레이저는 단일 주파수를 내는 일반 레이저와 달리, 수만 개 이상의 정밀한 주파수가 일정한 간격으로 배열된 형태의 빛을 생성한다. 각 주파수의 값과 간격을 원자시계 수준으로 정확하게 제어할 수 있어, 과학계에서는 ‘빛으로 만든 초정밀 자’로 불린다.
초장기선 전파간섭계(VLBI) 관측의 핵심은 여러 전파망원경이 수신한 신호의 위상을 정확히 일치시키는 것이다. 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준 신호 자체의 미세한 흔들림으로 인해 위상 보정에 한계가 있었다. 연구팀은 기준 신호 생성 단계부터 빛을 활용해 정밀도를 근본적으로 높이는 접근법을 택했다.
연구진은 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달해 기준 신호 생성과 위상 보정을 하나의 광학 시스템으로 통합했다. 이를 통해 관측 주파수가 높아져도 기준 신호의 안정성을 유지할 수 있는 기반을 마련했다. 기존 방식이 눈금이 흔들리는 자에 비유된다면, 이번 기술은 극도로 안정적인 빛으로 위상을 고정하는 초정밀 자에 해당한다.
이 기술은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경에서 시험 관측을 통해 검증됐다. 연구팀은 전파망원경 간 안정적인 간섭무늬를 검출하는 데 성공했으며, 정밀한 위상 보정이 가능함을 실제 관측으로 입증했다. 최근에는 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 시스템이 추가 설치돼 다중 관측소 확장 실험으로 이어지고 있다.
연구팀은 이번 기술을 통해 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측할 수 있을 뿐 아니라, VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 장비 간 위상 지연 오차를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 이 기술은 천문 관측을 넘어 대륙 간 초정밀 시계 비교, 우주측지, 심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 요구되는 다양한 분야로의 확장 활용 가능성도 제시한다.
김정원 KAIST 교수는 “광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 기존 전자식 기준 신호 기술의 한계를 넘어섰다”며 “차세대 블랙홀 관측 정밀도를 높이고, 주파수 계측과 시간 표준 분야 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 현민지 한국표준과학연구원 박사와 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 Light: Science & Applications에 1월 4일자 온라인으로 게재됐다.
헬로티 이창현 기자 |
