전파 천문학이란 무엇인가?

전파에 의해서 천체·우주를 관측해 연구하는, 천문학의 한 분야.1931년 장스키에 의해 발견된 우주로부터의 전파는 이후 관측이 발전하면서 우주상을 크게 덧칠하는 역할을 했습니다. 이전 광학 관측으로는 볼 수 없었던 새로운 천체나 새로운 현상이 전파망원경에 의해 차례로 발견되었기 때문입니다. 기본적으로는, 가시광선에서는 수천도 이상의 비교적 고온의 우주가 보이는데 대해, 전파에서는 저온의 우주를 관찰할 수 있습니다. 이 양자의 종합에 의해 우주에서 물질의 운동·순환을 전체적으로 파악할 수 있게 되었습니다.

　우주에서 지구로 쏟아지는 각종 전자파 가운데 전파는 가시광선과 마찬가지로 지구 대기를 뚫고 지상에 도달할 수 있습니다. 그래서 지상에 놓인 관측장치에 의해 우주를 관측하는 것이 가능한 우주로의 창으로서 거대하고 복잡한 전파망원경 시스템이 발달했습니다. 현재 전파천문학은 가시광선 천문학과 더불어 우주 연구를 지탱하는 주요 기둥이 되고 있습니다.

　지상으로부터의 전파 관측은, 약 파장 30미터에서 0.3밀리미터의 서브 밀리미터까지, 넓은 범위에 걸쳐 행해지고 있습니다. 이보다 장파장 쪽 전파는 대기 상층부의 전리층으로 튕겨 나가기 때문에 그 파장 영역에서 우주를 볼 수 없습니다. 반면 1cm보다 단파장의 밀리파에서는 대기 중의 분자, 주로 수증기 때문에 흡수가 강해집니다. 파장 1밀리미터보다 한층 더 단파장측의 전자파를 서브 밀리파라고 부르는 것이 많지만, 밀리파·서브밀리파의 관측에서는, 수증기를 피해 건조 고지에서의 관측이 지향되고 있습니다.

전파 천문학의 역사

전파천문학 발달의 역사는 거의 전파공학 발달의 역사에 겹쳐 볼 수 있습니다. 미국의 벨 연구소의 기사 정스키가 우주 전파를 우연히 발견(1931)한 것은, 전파 통신에 방해가 되는 천둥의 전파를 연구하고 있을 때였습니다. 잔스키와 독학으로 우주전파의 관측을 진행시킨 공학자 리버 Grote Reber(1911-2002)에 의해서 전파는 은하수를 따라서 강하고 또한 장파장만큼 강방사 되고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 당시의 천문학 및 물리학 지식으로는 설명할 수 없으며 1950년대에 이르러 소련의 긴츠부르크 등에 의해 우주의 고에너지 입자(우주선)와 자기장과의 작용에 의한 싱크로트론 방사(비열적 방사)로 불리는 현상임이 밝혀졌습니다.

　싱크로트론 방사는 고에너지 입자를 만들어내는 우주의 폭발적 현상의 존재를 말해줍니다. 그 연구는, 초신성 폭발, 전파 은하, 퀘이사라고 하는 막대한 에너지를 해방하는 우주 현상의 발견이나 해명으로 연결되어 갔습니다. 또한 싱크로트론 복사는 일반적으로 장파장일수록 강하기 때문에 단파장 취급이 기술적으로 어려웠던 초기 전파천문학에는 매우 적합한 관측 대상이었습니다. 장파장의 전파는 파장에 비해 눈이 작은 철망이나 철사를 친 반사경으로 집광할 수 있기 때문에 정밀도상의 어려움이 적고 전파의 검출기도 장파장에서는 용이합니다. 한편, 장파장일수록 대상의 구조를 분별하는 능력(분해능)이 떨어지는 문제는 호주의 볼턴 John Gatenby Bolton(1922-1993)과 영국의 라일 등에 의한 전파간섭계의 발명에 의해서, 해결로 향했습니다.

　1951년 미국의 퍼셀과 유인 Harold Irving Ewen(1922-2015)에 의해 수소원자 가스구름으로부터의 파장 21cm의 전파(이른바 21cm파)가 발견됐습니다. 이는 네덜란드의 반 데 플루스트가 1944년에 예언한 것입니다. 우주전파로서 최초로 발견된 선 스펙트럼이자 우주의 기본적 구성요소로서의 수소원자를 관측할 수 있게 했다는 점에서 획기적인 발견이었습니다. 21센치파의 대대적인 관측·연구에 의해서, 은하의 소용돌이의 크기, 은하계 밖에 있어서의 다양한 은하나 그 사이의 상호 작용의 모습 등, 중요한 지식이 태어났습니다.

　전파공학 기계공학의 발달과 함께 관측은 짧은 파장대역으로 확대됐습니다. 1960년대에는 영국·조드렐 뱅크의 76미터, 오스트레일리아·파크스의 64미터 등, 직경 수십미터의 파라볼로이드형 전파 망원경이 많이 건설되어 전파에 의한 발견의 황금 시대가 되었습니다. 전파은하의 발견(1960), 퀘이서의 발견(1963), 3K 우주흑체방사(우주배경복사)의 발견(1965), 펄서의 발견(1967), 다채로운 성간분자의 발견(1968~) 등입니다. 특히 성간분자의 선 스펙트럼이 파장 1cm1mm의 밀리파 영역에서 다수 발견된 것은 전파의 최단 파장인 밀리파에서의 관측 발전을 크게 재촉했습니다. 암흑 성운이나 별의 바깥층 대기에 넓게 분포하는 성간 분자를 그 전파 스펙트럼선에서 연구함으로써 별의 형성과 그 일생, 은하계의 구조 등 다방면에 걸친 연구 영역에서의 새로운 발전이 펼쳐졌기 때문입니다.

　1980년대에 들어서자 반도체 공학, 정밀 공학, 대형 컴퓨터 등 현대의 제일선의 기술의 투입으로, 밀리파 관측을 위한 거대하고 정밀한 단일 파라볼 로이드 망원경과 간섭계가 일본(국립 천문대 노베야 마( 말하다 산)의 45미터㎜의 전파 망원경과 밀리 어레이)미국(캘리포니아 공대의 밀리 어레이)유럽(독일의 막스 플랑크 연구소 100미터 망원경, 밀리파 천문학 연구소의 밀리 어레이와 30미터㎜의 전파 망원경 등)으로 이뤄졌으며 그 성과가 겨루어 집니다. 또 전파 간섭계는 고속 컴퓨터의 등장으로 천체의 전파 영상을 높은 분해능으로 묘사하는 전파 사진기(구경 합성 간섭계이라 불리는)으로 발전했습니다. 구경 합성 간섭계는 초기에는 주로 장파장 측에서 위력을 발휘하면서 먼 은하 핵이 방출하는 우주 제트(제트형 전파원)등, 고에너지 현상의 해명을 진행했습니다. 그 후의 기술적 진보에 의한 단파장 밀리파·서브 밀리 미터파에서도 본격적인 구경 합성 간섭계가 활동하고 있습니다.

전파 천문학의 현상 차례를 보다

전파 천문학의 연구 분야는 현재 다음과 같이 구분할 수 있다.

(1)고에너지 전파 천문학 주로 싱크로트론 방사에 의한 지속파 전파로 우주의 고에너지 방출 현상을 연구합니다. 초신성, 펄서, 은하 자기장, 은하 핵과 전파 은하, 퀘이사 및 우주 제트 등입니다. 일에 우주 제트는 거대 블랙 홀 주변에서 쏟아지는 것이라고 생각되며, 매우 흥미로운 현상입니다.

(2)우주 전파 분광학 성간 분자나 원자의 전파 스펙트럼 라인에 의한 주로 저온의 성운, 그 속에서 항성과 행성계의 형성, 별의 일생, 은하계의 구조·운동, 먼 외 은하나 우주 초기의 별 형성 등을 연구합니다. 스펙트럼 선 특유의 풍부한 정보량에 의해서 거의 모든 우주 현상에 관련하고 다방면에 걸친 연구 분야가 트였습니다. 특히 별의 형성 과정은 우리 은하 및 다양한 은하의 역사의 해명에 이어지는 기본적 요소이며 비상한 먼 은하까지 관측이 진행되고 있습니다. 망원경의 고성능화와 함께 항성의 형성과 그에 따른 행성계의 형성 과정의 연구도 눈부십니다.

(3)태양 전파 천문학 태양은 지구에 매우 가깝기 때문에 관측될 전파 강도가 강하고, 그 흑점 폭발에 따른 전파 통신의 영향 등도 있고 벌써부터 연구했습니다. 흑점이 관여하는 태양 면 폭발(플레어)의 기구 해명이 그 중심 과제입니다. 입자의 가속, 자기장의 기능 등 우주의 고에너지 현상과 공통되는 부분도 많아 고에너지 현상의 기초적 이해에도 중요합니다. 태양 전파 관측에는 전용의 관측 장치(주로 간섭계 방식)가 이용됩니다. 일본에서는 국립 천문대가 노베야마에 건설한 태양 전파 간섭계(전파 헬리오그래프)가, 2015년부터 나고야 대학 지구 환경 연구소에 의해서 국제 운용되고 있습니다.

(4) 레이더 천문학 대형 반사경을 이용해 강력한 전파빔을 가까운 천체에 향해 방사해, 반사해 오는 에코를 파악해 연구합니다. 태양계 내 천체만 대상이며 수성에서 토성까지가 이 방법으로 조사됐으며 금성의 표면 지형과 자전 속도 등을 측정했습니다. 금성에서는 금성 주회 궤도에 투입한 탐사기를 이용한 레이더 관측으로 더 자세한 지형도가 만들어졌습니다.

(5) VLBI 천문학 지구상 각지의 대형 전파 망원경을 고성능의 원자 시계와 기록 장치(테이프 레코더, 디스크등 )나 마이크로파등에서 묶은 전파 간섭계가, VLBI(very long baseline interferometer=초장기선 전파 간섭계)입니다. 전파간섭계의 발전형이긴 하지만 멀리 떨어진 안테나 사이를 케이블 없이 연결함으로써 지구 전체를 망원경으로 삼아 각도에서 1초의 1000분의 1 이하라고 하는 비약적인 초고분해능을 달성했습니다. 우주 제트의 중심부, 별의 형성의 핵등의 미세 구조의 관측에 위력을 발휘해, 전세계를 싸고 있는 VLBI 네트워크가 미국, 유럽, 일본을 중심으로 활동하고 있습니다. 일본은 우주로 쏘아올린 파라볼로이드경 「하루카」와 지상의 전파 망원경을 연결하는 우주 VLBI를 세계 최초로 실현해, 또 일본 전 국토를 묶어 고정밀도화한 VLBI망으로 먼 곳의 항성까지의 거리를 삼각 측량해 은하계의 지도를 만드는 VERA(벨라) 프로젝트가 활동하는 것과 동시에, 한국의 밀리파 VLBI망 KVN(Korean VLBI망) 등과 연결하고 있습니다.

(6) 밀리파 서브밀리파 천문학 각종의 성간 분자의 스펙트럼선, 및 고체 미립자(먼지)에 의한 밀리파·서브밀리파 열방사를 중심으로 하는 관측으로, 고정밀도 기술을 필요로 하는 밀리파 천문학이 발전했습니다. 현재 주목되는 분야는 밀리파보다 파장이 짧은 서브밀리파(파장 0.31밀리미터) 관측으로 가시광선과 전파 사이의 간극을 메우는 영역입니다. 지상에서는 곤란하지만 건조 고지에서 일부의 파장에서 관측 가능하고, 고도의 반도체·전자 기술을 필요로 하는 수신 장치의 개발이 세계적으로 겨루고 있습니다. 일본, 미국, 유럽 합동으로 칠레의 고지에 ALMA(알마.아타카마 대형 밀리파 서브 밀리파 간섭계)가 건설되어 2013년부터 관측이 시작되어 눈부신 성과를 올리고 있습니다. 서브밀리파에서는, 성간 분자 뿐만이 아니라, 원자의 스펙트럼선과 고체 미립자의 관측이 가능하게 하는 것이 중요하며, 태양계 외 행성의 형성과 초기 은하 형성등의 연구가 진행될 것입니다.