전파망원경 원리 편에서 살펴본 것처럼, 서로 멀리 떨어진 여러 전파망원경을 연결해 하나의 거대한 망원경처럼 쓰는 기술을 VLBI(초장기선 전파간섭계)라고 합니다. VLBI에서는 각 망원경이 같은 천체에서 온 전파를 저마다의 장소에서 독립적으로 녹음하고, 나중에 상관기(correlator)가 이 기록들을 모아 비교합니다. 이때 상관기가 반드시 알아야 하는 것이 하나 있습니다. 바로 각 신호가 정확히 몇 시 몇 분 몇 초, 몇 나노초에 녹음되었는가입니다.
간섭계 원리 편에서 다룬 것처럼, VLBI는 두 망원경에 신호가 도착하는 시각의 아주 미세한 차이(위상 차이)를 이용해 천체의 정보를 얻어내는 기술입니다. 그런데 각 망원경이 신호에 찍은 시각표(타임스탬프) 자체가 조금이라도 부정확하면, 정작 비교해야 할 진짜 위상 차이가 시계 오차에 파묻혀 버립니다. 그래서 VLBI에 참여하는 모든 전파망원경은 서로 나노초, 혹은 그보다도 더 정밀한 수준으로 시각을 맞춰야 합니다.
우리가 흔히 쓰는 손목시계나 컴퓨터의 시계는 수정진동자(쿼츠, quartz)를 기준으로 시간을 잽니다. 수정 결정에 전압을 걸면 아주 규칙적으로 진동하는데, 이 진동 횟수를 세어 1초를 만드는 방식입니다. 일상생활에는 충분히 정확하지만, 온도나 압력, 시간이 지남에 따라 진동수가 아주 조금씩 변하기 때문에 하루에도 수 밀리초(ms) 정도씩 어긋날 수 있습니다. VLBI에서는 겨우 몇 나노초의 오차만으로도 신호의 위상 정보가 뒤섞여 버리는데, 밀리초 단위로 어긋나는 수정진동자 시계로는 애초에 비교조차 할 수 없는 셈입니다.
👉 아래에서 시간 경과 슬라이더를 움직이거나 "빨리 감기" 버튼을 눌러, 두 시계의 오차가 얼마나 다르게 벌어지는지 비교해 보세요!
파란색은 기준이 되는 망원경 A의 신호, 빨간색·청록색은 망원경 B의 신호입니다. 수정진동자로 시각을 맞추면 시간이 지날수록 두 파형이 어긋나지만, 원자시계로 맞추면 항상 거의 완벽히 겹칩니다.
위쪽 눈금(수정진동자)은 시간이 지날수록 점점 회색 기준선에서 벗어나지만, 아래쪽 눈금 (원자시계)은 기준선 위에 거의 그대로 남아 있습니다. 실제 오차 차이는 이보다 훨씬 커서(수백만 배 이상) 화면에 그대로 담을 수 없기 때문에, 눈으로 볼 수 있도록 실제 오차보다 훨씬 크게 과장해서 표현했습니다.
위 그림처럼 수정진동자 시계는 시간이 흐를수록 눈금이 기준선에서 점점 더 벌어지고, 빨간색·주황색으로 표시되는 어긋난 눈금이 늘어납니다. VLBI에서 이런 시계를 그대로 쓴다면, 위쪽의 파형 그림처럼 두 망원경이 기록한 신호의 파형이 점점 어긋나서 상관기가 짝을 맞추지 못하게 됩니다.
그래서 VLBI 관측소들은 훨씬 더 안정적인 원자시계를 씁니다. 그중에서도 널리 쓰이는 것이 수소 메이저(Hydrogen Maser)입니다. 수소 원자는 특정한 에너지 준위 사이를 오갈 때 아주 정확하고 일정한 주파수의 전파를 내놓는데, 수소 메이저는 이 양자역학적 전이의 주파수를 "똑딱거리는 기준"으로 삼아 시간을 잽니다. 그 안정도는 수정진동자와 비교가 안 될 정도로 뛰어나서, 대략 수십만 년에서 수백만 년에 겨우 1초 정도밖에 어긋나지 않을 만큼 정밀합니다.
여기서 재미있는 사실 하나. "메이저(MASER)"라는 이름과 원리는 레이저 편에서 설명한 유도방출(stimulated emission)과 완전히 같습니다. 다만 쓰임새가 다를 뿐입니다. 레이저 편에서는 유도방출로 빛(또는 전파)을 증폭해 밝은 신호를 만들어 내는 데 초점을 맞췄다면, 여기 수소 메이저에서는 유도방출로 만들어지는 전파의 주파수가 놀라울 만큼 정확하고 한결같다는 점을 이용해, 이를 흔들림 없는 시간·주파수의 기준(레퍼런스)으로 쓰는 것입니다. 즉 같은 원리를 "신호를 키우는 데" 쓰느냐, "시간을 정확히 재는 데" 쓰느냐의 차이입니다.
참고로 GPS 위성에도 원자시계가 실려 있어서 우리가 쓰는 내비게이션의 위치 정보를 가능하게 해 주지만, 일반적인 GPS 수신 정밀도는 VLBI가 요구하는 수준에는 한참 못 미치기 때문에 각 관측소는 별도로 수소 메이저 원자시계를 직접 운용합니다.
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원자시계의 발전사
| 시기 | 사건 | 의미 |
|---|---|---|
| 1949년 | 최초의 원자시계 | 미국 표준국(NBS, 지금의 NIST)이 암모니아 분자의 흡수선을 이용한 시계를 만들었습니다. 아직 수정시계보다 크게 낫지는 않았습니다. |
| 1955년 | 세슘 원자시계 | 영국 국립물리연구소(NPL)의 에센과 페리가 실용적인 세슘 원자시계를 만들어, 원자로 시간을 재는 시대를 열었습니다. |
| 1960년 | 수소 메이저 발명 | 미국 하버드 대학의 램지와 클레프너 등이 수소 메이저를 만들었습니다. 이후 VLBI 관측소의 표준 시계가 되었습니다(메이저의 원리는 레이저 편 참고). |
| 1967년 | 1초의 재정의 | 국제도량형총회가 1초를 지구 자전·공전 대신 세슘 원자의 진동 횟수로 정했습니다. 시간의 기준이 하늘에서 원자로 옮겨 온 순간입니다. |
| 1989년 | 램지의 노벨 물리학상 | 원자시계의 정밀도를 크게 높인 측정법과 수소 메이저 개발의 공로로 노벨 물리학상을 받았습니다. |
| 2000년대~현재 | 광격자 시계 등 광시계 | 전파 대신 주파수가 수만 배 높은 빛을 '박자'로 써서 10-18 수준까지 정밀해졌고, 앞으로 1초의 정의를 바꿀 후보로 논의되고 있습니다. |
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📚 참고 자료 및 출처
본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.