(The Murchison Widefield Array radio telescope, a portion of which is pictured here, is searching for a signal emitted during the formation of the first stars in the universe. Credit: Goldsmith/MWA Collaboration/Curtin University)
과학자들이 우주 태초에 있던 신호에 한 걸음 접근했습니다. 빅뱅 직후 우주는 온도가 매우 뜨거워서 현재와 같은 원자가 존재하지 않았습니다. 우주가 팽창하면서 온도가 떨어진 후에야 전자와 원자핵이 결합해 수소와 헬륨 같은 초기 원소를 만들었습니다. 이 시기가 지난 후에야 빛이 직진할 수 있게 되는데 이때 해방된 빛의 잔재가 우주 배경 복사입니다.
우주가 더 팽창하면서 한동안 우주에는 새로운 빛이 없었습니다. 그러다가 은하를 구성할 가스가 모이고 여기서 1세대 별이 탄생하면서 우주가 다시 빛나기 시작했습니다. 이 때 나온 에너지로 인해 우주의 수소 원자들이 다시 양성자와 전자로 분리되면서 재이온화 과정을 겪습니다. 여기서 나온 빛은 우주 배경 복사보다 약하지만 우주 진화 과정을 밝혀줄 중요한 정보를 지니고 있습니다. 재이온화기 Epoch of Reionization (EoR)의 신호를 찾는 일은 그래서 중요합니다.
미국, 호주, 유럽, 중국, 일본 등 다국적 과학자팀은 호주의 넓은 사막에 Murchison Widefield Array (MWA) 전파 망원경을 건설해 이를 관측하고 있습니다. 다국적 컨소시엄이 건설한 이 전파 망원경은 독특하게 생긴 망원경 어레이로 구성되어 있습니다. 4x4m의 공간에 메쉬 구조의 철망을 깔고 그 위에 16개의 특수한 안테나를 설치한 타일 (tile, 사진 참조)을 128개 넓개 전개시킨 것이 MWA의 구조입니다.
MWA의 일차 목표는 중성 수소 원자가 내놓는 70–300 MHz 파장을 관측하는 것입니다. 본래 수소 원자가 내놓는 파장은 21cm 이지만 120억년의 거리를 지나 지구까지 오면서 이 파장은 큰 적색 편이 때문에 파장이 2m까지 늘어난 상태입니다. 하지만 앞서 이야기했듯이 미약한 신호이고 인간이 쓰는 전파 신호와 겹치는 파장이라 관측이 쉽지 않습니다. 따라서 과학자들은 100m 지름 안에 전체 타일의 1/4을 모아 놓고 나머지를 1.5km 지름 구간에 분포시킨 후 16개 정도는 지름 3km의 넓은 지역에 배치했습니다.
(동영상)
MWA는 2016년 이후 phase II로 연구를 확장하면서 타일 수를 두 배인 256개로 늘렸습니다. MWA 팀은 MWA Phase II EoR 관측 데이터를 공개했습니다. 이 데이터는 앞으로 상세한 분석을 거쳐 해석될 것입니다. 참고로 이를 분석하기 위해 별도의 슈퍼컴퓨터인 Correlator가 사용됩니다. 이를 통해 초기 우주에 어떤 일이 있었고 어떤 과정을 거쳐 재이온화가 이뤄졌는지 많은 연구 결과가 하나씩 나올 것으로 예상됩니다.
참고
First Season MWA Phase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7, arXiv:1911.10216 [astro-ph.CO] arxiv.org/abs/1911.10216
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