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20세기 중반까지 천문관측은 가시광선에 한정돼 있었다.그러나 우주로부터 전파신호를 관측한 1944년 이후 우주를 볼 수 있는 창은 한층 넓어졌다.눈에 보이지 않는 전파를 눈에 보이는 모습으로 보여주는 전파망원경은 천문학의 새 장을 열었다.

텔레비전, 라디오, 휴대폰... 우리 주변은 온통 전파의 세상이다.실 제로 이러한 상업적인 전파에 의해 서 전파천문학은 상당한 위협을 받 고 있다.하지만 최근 세계전파통 신회의WRC-2000에서는 1979년 대 비 25%에 불과하던 71-275GHz 대역 의전파천문업무용 주파수 분배율 을 70%까지 확장시켰다.

전파가 처음으로 발견된 것을 헤르 츠가 방전실험을 했던 1888년의 일이었다. 우주로부터 오는 전파 를 처음으로 수신한 것은 미국 벨 전화연구소에서 일하고 있었던 젊 은 전파공학자 잰스키였는데, 1932 년의 일이었다.잰스키의 발견에 많은 관심을 갖고 있던 전파공학자 레이버는1937년 최초의 전파망원 경이라고 불리는 9.4m 짜리 포물면 반사 안테나를 만들었다.그는 이 망원경으로 온하늘을 관측했고, 최초의 전파 분포도를 1944년에 발 표했다. 전파천문학의 시작이었다.

우리는 흔히 전파를 통신수단으로 만 생각한다.하지만 별이 핵융합 반응을 일으키거나 최신성이 폭발 하고 별들이 충돌하는 우주의 모든 사건들이일어날때 가시광선, X 선,전파등 다양한 파장의 전자기 파가 발생한다.그러므로 우주로 부터 오는 모든 전자기파는 우주의 각지에서 발생한 다양한 사건의 기 록을 담고 있다.만일 우리 눈에 보이는 파장대인 가시광선만을 관 측한다면 코끼리 몸통의 일부분만 보고 전체모습을 알려고 하는 것과 같다.때문에 파장이 가시광선보다 짧은 자외선이나 X선,감마선 등을 관측해서 분석할 수 있는 자외선망원경이나 감마선망원경이 필요하다.마찬가지로 우리 눈에 보이지 않는,전파영역 파장(파장이 1mm-1백m)의 전자기파를 모아 우주의 사건들을 알 수 있게 해주는 전파망원경이 필요한 것이다.

노벨상을 안겨준 전파관측

전파영역의 파장을 갖는 전자기파들은 끊임없이 우주로부터 오고 있다.제2차 세계대전을 거치면서 발달된 전자 장비 덕택에 1951년 21cm중성수소선(이온화되지 않은 수소가 내는 파장 21cm의 전자기파)이 관측되었다.1963년에 OH분자의 흡수선이 발견되었고,특히 밀리미터 영역에서의 전파관측을 통해서 현재까지 수많은 분자선들이 발견되고 있다.전판은하나 퀘이사(강한 전파를 내며 고속으로 멀어지는,항성과 유사한 천체)같은 새로운 천체의 발견도 전파관측의 결과였다.

현대우주론의 가장 큰 사건 중의 하나인 우주배경복사(우주의 팽창으로 초기우주의 빛이 하장이 늘어나 3K의 흑체복사 전파를 내는 것)의 발견은 1965년 펜지아스와 윌슨에 의해서 우연히 이루어졌는데,이것도 전파 영역인 7.35cm에서 발견됐다.두 사람은 이 발견의 공로로 1978년 노벨상을 수상했다.펄사(전파와 X선영역에서 짧은 주기로 변광하고 고속으로 자전하는 중성자별로 생각됨)도 영국 케임브리지대학의 쌍극자 안테나 배열을 이용한 전파관측 도중에 우연히 발견됐다.당시 대학원생이었던 조셀린 벨이 펄사를 발견하였음에도 불구하고 휴이시 교수에게만 1974년에 노벨상이 주어지자 성차별에 대한 논란이 크게 일기도 했다.

전파천문학의 발달은 바로 전파망원경과 관련장비의 발전 과정이라고 할 수 있다.새로운 전파망원경의 출현은 늘 새로운 발견과 학문 분야를 낳았다.과거로부터 현재까지의 전파망원경의 발달 과정을 살펴보면 대체로 다음과 같다.역사적으로 전파망원경은 더 좋은 분해능과 큰 집광력을 확보하기 위해서 점차로 대형화되는 추세를 보여왔는데,간섭계 원리를 응용한 구경합성 전파망원경의 등장으로 단일 전파망원경의 대형화는 주춤하게 됐다.더 큰 전파망원경이 요구됨에 따라 멀리 떨어져 있는 여러 대의 전파망원경을 하나로 묶는 VLBI망이 생겨나게 됐고,인공위성에 전파망원경을 실어보내 지구상의 다른 전파망원경과 동시에 공동 관측을 수행하는 시스템도 구축하게 됐다.관측 파장에서는 수신기등 관련 장비의 발달에 힘입어서 관측주파수가 점차 고주파대로 넓혀지는 경향을 보이고 있다.

미약한 신호를 증폭시켜

전파망원경은 크게 안테나,수신기,그리고 계산을 위한 컴퓨터 장치(계산기)로 구성된다.안테나는 전파를 모아서 수신기에 전달하는 역할을 한다.관측하려는 전파의 파장에 따라서 텔레비전 안테나처럼 생긴 것부터 위성방송 수신용으로 쓰이는 파라볼라 모양의 안테나에 이르기까지 다양한 형태가 사용되고 있다.현대적인 전파망원경에는 파라볼라 모양의 안테나가 널리 사용되고 있다.모아진 전파가 수신기에 전달되는 과정은 광학망원경의 카세그레인 방식와 크게 다르지 않다.널리 사용되고 있는 포물면 반사 안테나의 경우,반사면에서 모아진 전파는 부반사면(부경)에서 다시 반사되어 반사면 가까이 존재하는 카세그레인 초점에 모이게 된다.그리고 이 초점 근처에 설치된 수신기로 모아진 전파가 전달된다.

우주로부터 오는 전파는 아주 미약하다.글머리에서 얘기한 것처럼 지구상에서 발생하는 인위적인 전파신호와는 비교가 되지 않을 정도로 미약하다.얼마나 약한지 한 가지 예를 들면,크리스마스 트리에 사용되는 작은 전구 하나를 켜기 위해서는 지구공전궤도 정도 크기를 갖는 안테나는 만들어서 우주로부터 오는 전파를 모두 모아야 할 정도라고 한다.수신기는 안테나를 통해서 모아진 이런 미약한 전파를 증폭하고 분석하는 역할을 한다.

지금 3백5m의 접시 안테나

1950년의 영국 조드럴뱅크 76m전파망원경의 건설을 시작으로 많은 거대 접시형 단일 전파망원경이 건설되기 시작했다.현재 가장 큰 단일 전파망원경은 푸에르토리코에 있는 아레시보 전파망원경으로 지름이 3백5m에 이른다.이 망원경은 골짜기의 자연 지형을 그대로 살려서 만든 고정형 전파망원경이다.1974년에는 이 망원경을 통해서 외계인에게 보내는 지구인의 메시지가 우주로 송신되기도 했다.움직일 수 있는 가장 큰 전파망원경은 독일 애펄스버그의 1백m 망원경이다.이들 대형 망원경은 주로 센티미터 대역에서의 관측에 사용되고 있다.이들 망원경을 이용한 초창기 관측은 주로 21cm중성수소선 관측에 집중됐다.

밀리미터 대역에서의 분자선 관측은 반사면의 높은 정밀도를 요구하기 때문에 주로 10-40m급의 망원경을 사용하고 있다.미국 애리조나주에 있는 12m전파망원경,일본 노베야마의 45m전파망원경,스페인의IRAM30m망원경이 대표적인 밀리미터 전용 전파망원경이다.수많은 성간 분자선들이 이들 전파망원경 관측으로부터 발견됐다.우리나라 대덕에 있는 14m전파망원경도 여기에 속한다.

차가운 먼지 성분 관측에 유용한 서브밀리미터 대역은 날씨와 수증기의 영향에 더 민감하기 때문에 전파망원경을 높은 산에 설치해야 한다.하와이에 있는 JCMT,CSO등이 대표적인 서브밀리미터 전파망원경들이다.칠레에 있는 SEST는 지금이 15m인 밀리미터/서브밀리미터 전파망원경인데,대부분의 전파망원경이 북반구에 위치하고 있는데 반해서 남반구에 위치하고 있다는 점에서 중요성이 있다.

여러 대의 망원경을 결합

망원경의 분해능은 구경의 크기와 관측하는 파장에 관계가 되는데,긴 파장 영역을 다루는 전파망원경의 분해능은 광학망원경에 비해서 매우 낮다.하지만 전파천문학자들은 여러 대의 전파망원경 같은 효과를 내게 하는 전파간섭계와 구경합성의 원리를 응용해서 광학망원겨옵다 더 좋은 분해능을 얻고 있다.

보통 구경합성망원경은 몇 개의 고정된 전파망원경과 움직일 수 있는 여러 개의 전파망원경으로 구성되는데,이동식 전파망원경은 전용 선로를 따라서 움직일 수 있도록 만들어져 있다.전파망원경의 배열은 동-서로 된 것이 많은데 네덜란드 웨스트보르크에 있는 25m안테나 14대로 이루어진 구경합성망원경이 대표적인 예이다. 이 지역은 옛날 독일 나치군이 유태인을 강제수용소로 수송하기 전에 집결시키던 지역이기도 한데,이 전파망원경이 건설될 당시에 이런 역사적인 사실 때문에 강한 저항과 비판을 받기도 했다.지금도 선로와 벙커 등의 유적이 남아있다.영국 케임브리지의 라일망원경이나 남반구에 위치한 호주의 ATCA등이 비슷한 성격의 구경합성망원경이다.이들 전파 망원경은 주로 센티미터 파장 영역에서의 관측을 수행하고 있다.

미국 뉴멕시코주에 위치하고 있는 VLA는 현재 가동되고 있는 구경합성망원경 중에서 가장 효율이 좋은 망원경이다.25m포물면 안테나 27개가 Y자 모양으로 배치돼 있다.역시 센티미터 대역에서 주로 관측을 수행하고 있는데,1.3cm에서는 지상의 광학망원경보다 뛰어난 0.1초의 분해능을 갖는다.이들 구경합성 전파망원경의 관측을 통해서 전파은하와 퀘이사 등의 실체가 알려지기 시작했다.VLA는 영화 '콘텍트'의 무대가 된 곳으로도 유명하다.총 1억4천만 달러를 들여서 8대의 안테나를 추가할 계획으로 있다.가장 큰 구경합성 전파망원경은 인도에 있는 GMRT인데 25km의 거리에 지금 45m안테나 30대가 배열돼 있다.미터파 대역까지 관측이 가능하기 때문에 주로 초기 우주의 중성수소선 관측과 우리은하 내의 펄사 관측에 초점을 맞추고 있다.

미국 버클리,일리노이,메릴랜드 대학교의 공동망원경인 BIMA,미국 캘리포니아 공대의 오웬스밸리 전파망원경,스페인의 IRAM배열,일본의 노베야마 밀리미터 배열 등이 현재 가동되고 있는 대표적인 밀리미터 구경합성 전파망원경들이다.좋은 분해능으로 인해서 성간분자의 분포와 역학을 연구하는 데 주로 사용하고 있다.멀리 떨어져 있는 활동은하의 연구에도 자주 사용되고 있다.칠레의 고원 지대에 건설 예정인 ALMA는 12m안테나 64대를 배열해서 만다는 초대형 구경합성망원경인데,아주 먼 초기 우주에서의 분자선 관측을 통해서 은하의 형성과 진화에 관한 연구를 하게 된다.

다른 지역에서 동시 관측

좀 더 높은 분해능을 얻기 위해서 고안된 방법이 초장기전 전파간섭계(VLBI)이다.VLBI에서는 같은 시간에 같은 관측 대상 천체를 다른 장소 있는 기존의 전파망원경으로 각각 관측하게 된다.관측이 모두 끝난 후 원자시계로 측정한 정확한 시간 정보와 관측 정보가 담긴 테이프를 자료분석센터가 있는 관측소에 모아서 관측 자료를 종합,분석하게 된다.이론상으로는 지구만한 크기의 전파망원경도 만들 수 있다.현재 센티미터 영역에서 0.0001초 정도의 분해능을 얻을 수 있는데,주로 전파은하의 중심부타 퀘이사의 자세한 관측에 유용하게 이용되고 있다.

미국이 운영하는 대표적인 VLBI로는 미국 본토,하와이,버진아일랜드에 위치한 10대의 지금 25m안테나를 연결한 VLBA가 있다.주로 센티미터 연영에서 관측을 수행하지만 7mm까지 관측 할 수 있다.유럽의 VLBI로는 1980년에 결성된 EVN있다.현재 유럽 대륙에 흩어져 있는 18대의 전파망원경을 연결해서 주로 센티미터 대역의 관측을 수행하고 있다.미국의 VLBI와 연결해서 사용되기도 한다.

인공위성과 지상의 VLBI를 연결하는 시도도 활발히 진행되고 있다.현재 가동되고 있는 시스템으로는 1997년에 일본이 발산한 HALCA위성과 VLBA,EVN을 연결해서 천체를 관측하는 HALCA/VSOP프로그램이 있다.러시아 우주국은 RadioAstron을,미국은 ARISE를 준비하고 있다.우주 공간에 설립된 또 다른 전파망원경으로는 60cm 안테나를 탑재한 SWAS위성이 있는데,서브미리미터 대역 관측을 수행중이다.

전파망원경을 사용해서 우주의 전파 영역을 본격적으로 탐색하기 시작한 지 50여 년이 지났다.이 기간 동안 전파망원경을 통해서 많은 새로운 천체들이 발견됐다.위에서 언급했던 ALMA계획은 미국 국립아카데미가 최근 발표한 향후 10년간의 천문학 투자 계획에서 계속적인 지원이 확정되었다.ALMA전파망원경을 통해서 처음으로 초기 우주의 은하들의 역학적 특성에 관한 연구를 할 수 있게 될 것으로 기대되고 있다.아직은 계획 단계에 있지만,더 많은 망원경을 하나로 묶어서 초기의 우주를 연구하려는 국제 공동 프로젝트인 SKA계획도 있다.이런 계획들이 실현된다면 21세기에도 전파천문학은 계속 우주의 미지의 세계를 탐색하는 최일선에서 그 역할을 담당할 전망이다.