"미지의 '블랙홀'도 선명하게" KAIST, 블랙홀 관측 정밀도 높여

미지의 블랙홀도 선명하게 관측할 수 있는 새로운 기준 신호 기술이 개발됐다. 전파망원경은 우주에서 오는 미세한 전파 신호를 포착해 천체 이미지로 바꾸는 장비로 블랙홀 관측에 쓰인다. 다만 블랙홀을 보다 선명하게 관측하려면 여러 대의 전파망원경이 마치 하나인 것처럼 정확하게 같은 시각에 우주 신호를 포착해야 한다. 새로운 기준 신호 기술은 이러한 조건을 충족하는 데 새로운 가능성을 열었다는 점에서 의미를 갖는다.

KAIST는 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국천문연구원(KASI), 한국표준과학연구원(KRISS), 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동으로 광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.

여러 전파망원경이 동시에 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 기술의 핵심은 각 망원경이 수신한 전파 신호를 마치 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상(phase)을 일치시키는 것이다.

하지만 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려 정밀한 위상 보정이 어려운 한계를 보였다.

이에 KAIST 연구진은 '기준 신호의 생성 단계부터 빛(레이저)을 활용해 위상 정렬의 근본적인 정밀도를 높인다'는 발상으로 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달하는 방식을 개발하고 이를 통해 기준 신호 생성과 위상 보정 문제를 하나의 광학 시스템으로 동시에 해결하는 데 성공했다.

광주파수빗 레이저는 한가지 색(주파수)만 내는 일반 레이저와 달리 수만 개 이상의 매우 정확한 색을 일정 간격으로 줄지어 배열한다. 흡사 머리를 쓸어 올릴 때 사용하는 '빗'처럼 보여 '주파수 빗(frequency comb)'이라는 명칭이 붙었다.

빗살 하나하나의 주파수를 정확히 알 수 있고 간격 역시 원자시계 수준으로 정밀하게 맞출 수 있어 과학계에선 '빛으로 만든 초정밀 자'로 불리기도 한다.

기존 방식에서는 관측 주파수가 올라갈수록 '눈금이 미세하게 떨려 위상을 맞추기 어려운 자' 같았다면 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달하는 방식의 기술은 '극도로 안정적인 빛으로 위상을 고정하는 초정밀 자'로 기준을 세운 것에 비유할 수 있다.

이 결과 멀리 떨어진 여러 전파망원경도 하나의 거대한 망원경처럼 정교하게 연동될 수 있는 기반을 마련할 수 있게 됐다고 연구팀은 설명했다.

이 기술은 한국우주전파관측망 연세 전파망원경에서 시험 관측을 통해 검증됐다. 연구팀은 전파망원경 간 신호의 안정적인 간섭무늬(fringe)를 검출하는 데 성공해 정밀한 위상 보정이 가능함을 실제 관측으로 입증했다.

최근 이 시스템은 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 추가 설치돼 여러 관측소를 동시에 사용하는 확장 실험으로도 이어지고 있다.

연구팀은 이를 통해 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측할 수 있을 뿐 아니라 VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 장비 간 위상 지연 오차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대한다.

무엇보다 이번 기술은 천문 관측에만 한정되지 않는다. 연구팀은 향후 이 기술이 ▲대륙 간 초정밀 시계 비교 ▲ 우주측지 ▲ 심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 다양한 첨단 분야로 확장 활용될 수 있을 것으로 내다본다.

김 교수는 "이번 연구는 광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 기존 전자식 신호 생성 기술의 한계를 뛰어넘었다"며 "차세대 블랙홀 관측의 정밀도를 높이고 주파수 계측과 시간 표준 분야 발전에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 현민지 박사(현 한국표준과학연구원)와 안창민 박사가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 성과(논문)는 지난 4일 국제 학술지 'Light: Science & Applications'에 게재됐다.