[쿠키과학] '레이저로 블랙홀 더 선명하게 본다'… KAIST, 세계 최초 구현

‘빛의 초정밀 자’ 광주파수빗 전파망원경에 직접 적용
전자식 한계 넘은 광학 시스템으로 위상 지연 오차 개선
블랙홀 관측·심우주 탐사 활용 기대

광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술 모식도. KAIST

레이저를 이용해 블랙홀을 더욱 선명하게 관측할 수 있는 전파망원경 기준 신호 기술이 개발됐다.

KAIST 기계공학과 김정원 교수팀은 한국천문연구원(KASI), 한국표준과학연구원(KRISS), 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동연구로 광주파수빗 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.

광주파수빗 레이저는 일반적인 레이저와 달리 수만 개 이상의 정확한 색(주파수)들이 일정한 간격으로 줄지어 배열된 형태로, 이 모습이 빗과 비슷해 '주파수 빗'라고 한다.

전파망원경은 우주에서 오는 미세한 전파 신호를 포착해 천체 이미지로 바꾸는 장비다.

멀리 있는 블랙홀을 선명하게 보려면 여러 대의 전파망원경이 하나처럼 정확히 같은 시각에 우주 신호를 포착하는 초장기선 전파간섭계(VLBI)를 사용한다.

이 기술은 각 망원경이 수신한 전파 신호를 마치 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상을 일치시키는 게 핵심이다.

기존 방식은 전자식 기준 신호를 사용하지만, 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려 정밀한 위상 보정을 수행하는 데 한계가 있다.

KAIST는 기준 신호 생성 단계부터 레이저를 활용해 위상 정렬의 근본적인 정밀도를 높였다.

특히 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달해 기준 신호 생성과 위상 보정 문제를 하나의 광학 시스템으로 해결했다.

이는 극도로 안정적인 빛으로 위상을 고정하는 초정밀 자를 세운 것과 같다.

그 결과 멀리 떨어진 전파망원경들이 하나의 거대한 망원경처럼 정교하게 연동될 수 있는 기반을 마련했다.

광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술 원리. KAIST

이 기술은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경 시험 관측으로 검증을 마쳤다. 연구팀은 신호의 안정적인 간섭무늬를 검출했고, 정밀한 위상 보정이 가능함을 입증했다.

최근에는 서울대 평창 전파망원경에도 시스템을 추가 설치해 여러 관측소를 동시에 사용하는 확장 실험을 진행 중이다.

전파망원경에서 위상보정 기준 신호 안정도 측정 결과. KAIST

연구팀은 이를 통해 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측하고, VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적된 장비 간 위상 지연 오차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

아울러 이 기술은 향후 대륙 간 초정밀 시계 비교, 우주측지, 심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 다양한 첨단 분야로 확장될 전망이다.

김 교수는 “광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 기존 전자식 신호 기술 한계를 뛰어넘었다”며 “차세대 블랙홀 관측 정밀도를 높이고 주파수 계측과 시간 표준 분야 발전에 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국표준과학연구원 현민 박사, KAIST 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 4일 국제학술지 ‘라이트: 사이언스 앤 어플리케이션(Light: Science & Applications)’에 게재됐다.
(논문명 : 전파망원경 광주파수빗 통합: 신호 생성 및 위상 보정 발전(Optical frequency comb integration in radio telescopes: advancing signal generation and phase calibration)