아주 먼 블랙홀 보다 선명하게 관측… 레이저 빛 활용해 구현

KAIST, 광주파수빛 레이저를 전파망원경 수신기에 적용 기준 신호 생성과 위상 보정 문제 극복… 심우주 탐사 등 활용 미세한 전파신호를 포착하는 전파망원경에 레이저를 접목해 블랙홀을 보다 선명하게 관측할 수 있는 기술이 개발됐다. 앞으로 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측하고, 대륙 간 초정밀 시계 비교, 심우주 탐사 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 첨단 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다. 한국과학기술원(KAIST)은 김정원 기계공학과 교수 연구팀이 한국천문연구원, 한국표준과학연구원, 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동으로 광주파수빗 레이저를 전파망원경의 관측 시점과 위상을 정밀하게 맞추는 신호 기술을 구현하는 데 성공했다고 15일 밝혔다. 일반적인 레이저는 한 가지 색(주파수)만 내지만, 광주파수빗 레이저는 수만 개 이상의 색들이 일정한 간격으로 줄지어 배열돼 있다. 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. 아주 먼 블랙홀을 선명하게 관측하려면 여러 대의 전파망원경이 마치 하나처럼 정확히 같은 시각에 우주 신호를 포착해야 한다. 여러 전파망원경이 동시에 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 기술은 각 전파망원경이 수신한 전파 신호를 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상을 일치시켜야 한다. 하지만 기존 전자식 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려 정밀한 위상 보정수행에 한계가 있었다. 연구팀은 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달하는 방식으로 기준 신호 생성과 위상 보정 문제를 하나의 광학 시스템에서 동시에 해결하도록 구현했다. 기존 방식이 관측 주파수가 올라갈수록 눈금이 미세하게 떨려 위상을 맞추기 어려운 자와 같았다면, 이 기술은 극도로 안정적인 빛으로 위상을 고정하는 '초정밀 자'로 기준을 세운 것에 비유할 수 있다고 연구팀은 설명했다. 연구팀은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경을 이용해 시험 관측을 통해 검증한 결과, 전파망원경 간 신호의 안정적인 간섭무늬를 검출했고, 정밀한 위상 보정이 가능함을 확인했다. 현재 이 시스템은 KVN 서울대 평창 전파망원경에 추가 설치됐다. 김 교수는 "광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 기존 전자식 신호 생성 기술의 한계를 극복한 사례로, 차세대 블랙홀의 관측 정밀도를 높이고 주파수 계측과 시간 표준 분야 발전에 기여할 것"이라고 말했다. 연구결과는 국제 학술지 '라이트-사이언스&애플리케이션스' 지난 4일자에 실렸다. 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr