전파망원경

밤하늘의 별은 눈에 보이는 빛(가시광선)만 내보내는 것이 아닙니다. 많은 별과 은하, 가스 구름은 전파도 함께 내보내고 있습니다. 이 우주의 전파를 관측해 천체를 연구하는 학문이 전파천문학입니다.

눈으로는 볼 수 없는 것을 본다

우주 먼지에 가려진 별 탄생 영역, 아주 차가운 가스 구름, 규칙적으로 전파를 깜빡이는 펄서(pulsar)처럼, 가시광선으로는 보이지 않거나 관측하기 어려운 천체들이 전파로는 뚜렷하게 관측되는 경우가 많습니다. 그래서 전파망원경은 광학망원경과 함께 우주를 이해하는 데 꼭 필요한 도구입니다.

전파망원경 접시 하나만으로는 분해능(또렷하게 구별해 보는 능력)에 한계가 있어서, 서로 멀리 떨어진 여러 전파망원경을 연결해 하나의 거대한 망원경처럼 쓰는 전파간섭계(VLBI) 기술을 사용합니다. 이 원리는 간섭계 원리 편에서 이중슬릿 실험에 빗대어 자세히 다룹니다.

전파를 수신하는 전파망원경

각 전파망원경은 천체에서 온 미약한 전파 신호를 받아 디지털 데이터로 바꾸고, 아주 정밀한 수소 원자시계로 정확한 시각을 기록하면서 고속 저장장치에 저장합니다. 서로 멀리 떨어진 망원경들이 같은 천체를 동시에 관측하면서도 각자 독립적으로 신호를 기록해 둔다는 점이 핵심입니다. 이렇게 기록된 데이터는 저장장치를 직접 옮기거나, 인터넷으로 실시간 전송하는 방식(e-VLBI)으로 상관처리 센터에 모입니다.

전파망원경 구조

전파망원경은 안테나의 모양과 배치 방식에 따라 크게 단일접시 전파망원경(Single-dish Telescope)과 전파 간섭계(Radio Interferometer)로 나눌 수 있습니다. 단일접시 망원경은 커다란 접시 안테나 한 대로 하늘의 전파를 모으는 방식으로, 구조가 비교적 간단하고 넓은 하늘을 빠르게 관측하는 데 유리하지만 분해능(또렷하게 구별해 보는 능력)을 높이려면 접시를 한없이 크게 만들어야 하는 한계가 있습니다. 한국천문연구원이 대전 대덕에서 운영하는 14m급 전파망원경(대덕전파천문대, TRAO)이 대표적인 단일접시 전파망원경으로, 별이 태어나는 분자운 관측 등에 쓰입니다.

반면 전파 간섭계는 서로 멀리 떨어뜨린 여러 대의 전파망원경으로 같은 천체를 동시에 관측한 뒤 신호를 합쳐, 망원경 사이의 거리(기선)를 접시 지름 대신 사용함으로써 훨씬 높은 분해능을 얻습니다. 한국우주전파관측망(KVN)이 이런 전파 간섭계의 대표 사례로, 서울·울산·탐라(제주)·평창 등 여러 곳에 떨어져 있는 전파망원경을 동시에 관측하게 한 뒤 신호를 합쳐 하나의 거대한 망원경처럼 사용합니다. 이 원리는 간섭계 원리 편에서 자세히 다룹니다.

이렇게 여러 곳에 흩어진 안테나로 실제 관측을 계획하려면, 각 망원경의 안테나 구동 속도나 고도 제한(Elevation limit)처럼 최신 상태를 담은 망원경 정보가 필요합니다. 한국천문연구원은 이 정보를 KVN 성능 보고서(status report)로 정리해 매년 갱신하며, pdf 파일로 내려받을 수 있습니다. 보통 다음과 같은 내용이 담깁니다.

• 안테나 제원과 설치 위치: 서울·울산·탐라·평창 등 각 관측소 접시의 지름과 좌표
• 수신기 주파수 밴드별 사양: 22/43/86/129GHz 등 각 밴드의 시스템온도·감도 같은 성능 지표
• 기록 시스템 사양: 관측 가능한 대역폭과 백엔드(기록 장치) 사양
• 최근 업그레이드와 향후 계획: 수신기·기록 장치 개선 이력과 예정된 변경 사항

이 보고서의 값들은 실제로 관측준비과정 편에서 살펴볼 VEX 파일의 망원경 정보 항목에 그대로 쓰입니다.

관측 방식이 단일접시든 간섭계든, 각각의 전파망원경 한 대는 아래와 같이 여러 장치가 함께 일하는 시스템으로 이루어져 있습니다.