우주 이야기 99 - 차세대 전파 망원경 ALMA

 일반적으로 과거 망원경이라고 하면 주로 가시 광선대의 영역을 관측하는 광학 망원경을 이야기 했습니다. 하지만 전자기파에 대한 이해가 발달하면서 현재 우리는 가시광 (분류에 따라 조금씩 다르지만 대략 380 - 740 nm 대 파장) 이 전자기파의 극히 일부분이라는 사실도 잘 알고 있습니다. 

 (전자기파의 파장. 클릭하면 원본.  Electromagnetic spectrum    출처 :  http://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_spectrum.svg ) 

 여기서 잠시 전자기파가 가지는 에너지와 파장과의 관계를 생각해 봅시다. 흔히 교과서에서 배우는데로 이들은 아래의 상관 관계를 가집니다. 

 E = hc/λ

 (E : 에너지, h : 플랑크 상수 (  h = 6.62606896(33)×10⁻³⁴ J s = 4.13566733(10)×10⁻¹⁵ eV ), c : 광속,  λ : 파장 ) 

 즉 전자기파의 에너지는 사실상 파장에 반비례 한다고 보면 됩니다. 파장이 짧을 수록 더 고에너지의 영역이라고 할 수 있죠. 그리고 온도가 높은 물질일 수록 더 짧은 파장대의 전자기파를 방출하게 되는데 이는 흑체 복사에 대한 플랑크 법칙 (Planck's law) 을 통해 알 수 있습니다. 

(h 는 플랑크 상수, c 는 광속, T 는 온도, k 는 볼츠만 상수, v 는 주파수, λ : 파장   물론 플랑크 상수는 다른 몇가지 방식으로도 표현이 가능 )

 (물체의 절대 온도가 높을 수록 방출하는 에너지의 주 파장대는 짧아지면서 총 에너지가 커진다.   Public domain image  ) 

 서론이 길었는데 아무튼 이와 같은 흑체 복사 및 전자기파의 법칙들이 발견되면서 과학자들이 가시광선 이외의 파장대에서도 천체를 관측할 수 있는 길이 열리게 됩니다. 

 이미 이전에 소개드린데로 수많은 우주와 지상 관측 망원경들이 감마선에서 단파나 밀리미터파 영역에 이르기까지 다양한 파장대에서 우주를 관측하고 있습니다. 또 이런 다른 파장의 망원경들이 서로 협력해서 이전에는 알 수 없던 다양한 정보를 얻어내고 있습니다.

(관측 파장과 대기의 흡수율. 가급적이면 대기가 없는게 모든 파장대에서 관측에 용이하지만 특히 흡수 정도에 따라 반드시 대기가 없는 우주에서 관측해야 하는 영역이 존재  NASA   public domain image )

 현재 전파 망원경 가운데서 가장 거대한 건설 프로젝트가 진행 중인데 바로 ALMA (Atacama Large Millimeter/sub Millimeter Array ) 가 그 주인공입니다. ALMA 는 미국, 캐나다, 유럽, 일본 등 여러 나라가 협력하는 대형 전파 망원경으로 밀리미터파 영역 관측에 가장 유리한 대기가 희박하고 다른 전파 방해원이 적은 칠레의 아타카마 사막 고원지대에 설치됩니다. 이 고원지대는 높이가 5000 미터 이상이고 전파 망원경들이 넓게 전개하기에 필요한 면적을 확보할 수 있어 이런 종류의 망원경 설치에 최적인 장소입니다.  

 초기에 이 전파 망원경은 미국의 NRAO (National Radio Astronomy Observatory) 및 ESO (European Southern Observatory) 의 합작으로 진행되다 캐나다 및 일본도 같이 참여하면서 그 규모가 커졌습니다. 일단 칠레의 아타카마 사막에 50 기의 전파 망원경 (50 개의 12 m 지름 전파 망원경) 이 설치되고 다시 이를 보조하기 위한 전파 망원경으로 16 기의 전파 망원경이 (4개의 12 m 지름 망원경과 12 개의 7 미터급 망원경, 일본에서 기여) 설치될 예정입니다.

 각각의 전파 망원경들은 150 미터에서 16 km 에 달하는 거리에 전개되는 방식으로 일종의 줌 (Zoom) 이 가능합니다. 그 메카니즘은 현재 뉴멕시코에 있는 VLA (Very Large Array) 와 유사하다고 보면 되겠습니다. 다만 레일이 아니라 차량으로 이동합니다. 

(ALMA 의 컨셉 아트  ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Calçada (ESO) )      

 (현재 ALMA 가 건설되는 장소.  해발 5000 미터의 황량한 사막 고원지대   ESO )

(최초로 설치된 2개의 ALMA 안테나   ESO    )

 (각각의 ALMA 안테나의 무게는 115 톤으로 이런 대형 트레일러를 통해 이동되는 시스템   ESO  )

 이 계획에는 총 10 억 달러 이상이 소요될 예정으로 참가국들이 이 비용을 분담하는 형식으로 이루어진 대규모 국제 합동 전파 망원경이라고 할 수 있습니다. 완성은 2012 년 말로 예정되어 있지만 현재까지 설치된 망원경들만으로도 이미 상당한 활약을 하고 있습니다. 

 각각의 망원경들은 광섬유로 연결되어 있으며 간섭계 (Interferometer)로 작동할 수도 있고 단독으로 관측을 할 수도 있습니다. 관측 파장은 0.3 - 9.6 mm 영역이며 완성되면 지금까지 만들어진 가장 강력한 밀리미터/서브밀리미터 영역의 전파 망원경이 될 예정입니다. 그 공간 분해능 (Spatial Resolution) 은 허블 우주 망원경의 5배이며, VLA 의 10 배 수준으로 전파 망원경 역사에 큰 획을 그을 차세대 전파 망원경으로 기대되고 있습니다. 

 (ALMA 와 허블 우주망원경 이미지를 합친 안테나 은하의 모습. 서로 다른 파장대를 관측한 후 이미지를 합치므로써 우리는 은하나 천체의 구조를 더 자세히 알 수 있다.   The Antennae Galaxies (also known as NGC 4038 and 4039) are a pair of distorted colliding spiral galaxies about 70 million light-years away, in the constellation of Corvus (The Crow). This view combines ALMA observations, made in two different wavelength ranges during the observatory’s early testing phase, with visible-light observations from the NASA/ESA Hubble Space Telescope.

The Hubble image is the sharpest view of this object ever taken and serves as the ultimate benchmark in terms of resolution. ALMA observes at much longer wavelengths which makes it much harder to obtain comparably sharp images. However, when the full ALMA array is completed its vision will be up to ten times sharper than Hubble.  ESO) 

 일부 망원경만 설치되도 작동이 가능하기 때문에 이미 ALMA 는 다양한 활약을 펼치고 있으며 모든 망원경 설치가 완료되면 전파 천문학에 신기원을 이룩할 것으로 생각됩니다.   

     

 참고 

http://en.wikipedia.org/wiki/Atacama_Large_Millimeter_Array

 ALMA 공식 웹사이트 : http://www.almaobservatory.org/