라디오 망원경이 우주 깊숙이에서의 신호를 어떻게 감지하는가

라디오 망원경은 광학 망원경과 다르게 생겼지만, 기본 원리는 같습니다. 빛을 모으고, 초점을 맞추고, 분석하는 것입니다. 차이점은 파장입니다. 미국국립전파천문학천문대(NRAO)에 따르면, 라디오 망원경은 약 1밀리미터에서 10미터 범위의 파장을 관측하며, 이는 가시광선의 수백 나노미터보다 훨씬 더 깁니다. 따라서 그들의 '렌즈'는 유리가 아니라 금속 접시입니다.

미약한 음성을 사용 가능한 데이터로 변환하기

NRAO는 우주 라디오 신호를 놀라울 정도로 약하다고 설명하며, 단일 휴대폰 신호가 이러한 망원경이 감지하도록 설계된 미약한 우주 라디오파보다 약 10억 배 10억 배 더 강력한 전력을 전달한다고 지적합니다. 유용한 것을 포착하려면 라디오 망원경은 큰 수집 면적과 민감한 전자 장치가 필요합니다.

• 들어오는 라디오파를 그 위의 단일 초점점으로 반사하는 포물선 접시
• 그 초점에 있는 급전 혼. 연구하고 있는 파장에 맞춘 크기의 금속 깔때기로, 파를 수신기로 안내합니다
• 수신기. 종종 극저온으로 냉각되어 신호를 감지하고 전달합니다
• 증폭기. 신호를 기록 및 분석 전에 증폭합니다

망원경들을 연결하기: 간섭계측법

그러나 아무리 큰 단일 접시도 광학 망원경이 달성할 수 있는 세밀한 세부사항과 견줄 수 없습니다. NRAO는 라디오 천문학자들이 간섭계측법으로 이를 해결한다고 설명합니다. 여러 안테나를 같은 천체에 향하게 하고 상관기라는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 그들의 신호를 하나의 거대한 망원경에서 온 것처럼 결합하는 것입니다. 같은 우주 신호가 각 안테나에 약간 다른 시간에 도달하기 때문에, 결과적인 타이밍 차이를 통해 천문학자들은 단일 접시 단독으로는 포착할 수 없는 훨씬 더 많은 세부사항을 재구성할 수 있습니다. NRAO는 상관기가 펨토초 속도로 작동할 수 있으며, 초당 최대 16조 조 연산을 수행할 수 있으며, 그것의 초장기선배열은 안테나를 대륙 전역에 걸쳐 배포하고 수소 메이저 원자시계로 동기화될 수 있으며 정확도는 10억분의 몇 초에 달한다고 지적합니다.

지구 크기 망원경으로 블랙홀 촬영하기

이 기술의 가장 명확한 시연은 사건의 지평선 망원경(EHT)입니다. NRAO에 따르면, 전 세계에 흩어진 8개의 지상 라디오 망원경을 연결하며, 2017년 관측 캠페인 중에 초장기선 간섭계측법(VLBI)을 사용하여 관측하여 지구 정도 크기의 단일 기구처럼 작동했습니다. 각 망원경은 하루에 약 350테라바이트의 데이터를 기록했습니다. 기록은 나중에 전문 상관기가 있는 막스플랑크 전파천문학연구소와 MIT 헤이스택 천문대로 공수되어 결합되었습니다.

목표는 은하 M87의 중심에 있는 초대질량 블랙홀이었습니다. 그 사건의 지평선은 약 400억 킬로미터에 걸쳐 있지만, 지구에서 그 그림자 주변의 밝은 고리는 약 40마이크로아크초 정도로만 측정됩니다. — NRAO가 '달 표면의 신용카드 길이를 측정하는 것'에 비유하는 스케일. 결합된 데이터는 블랙홀 그림자의 첫 이미지를 생성했습니다.

우주 전역에서의 순간적 플래시 포착하기

모든 라디오 망원경이 접시에 의존하는 것은 아닙니다. 영국령 컬럼비아주의 도미니언 전파천문학 천문대에 있는 CHIME(캐나다 수소 강도 매핑 실험)은 MIT Physics에 따르면, 4개의 고정된 반파이프 모양의 원통형 반사경을 사용하며 가동 부품이 없습니다. 하드웨어 조향 대신, 그 상관기는 초당 약 7테라비트의 데이터를 처리하여 하늘의 수천 개 방향에서 동시에 도착하는 신호를 디지털로 재구성합니다.

이 설계는 CHIME이 고속 라디오 버스트(FRB)를 포착하는 데 매우 효과적이 되게 했습니다. FRB는 우주 깊숙이에서의 밀리초 길이의 라디오 에너지 플래시입니다. 초기 운영 연도인 2018년~2019년에 CHIME은 535개의 새로운 FRB를 감지했으며, 이는 그 시점까지 전 세계에 알려진 약 140개의 버스트를 거의 4배로 늘렸다고 MIT Physics가 보도했습니다. 포착 목록에는 반복적으로 터져나오는 18개의 소스가 포함되어 있었으며, 이 패턴은 반복되는 것과 일회성 FRB가 서로 다른 천체물리학적 메커니즘에서 비롯될 수 있음을 시사했습니다.

세계 최대 접시와 다음 단계

중국의 오백 미터 개구경 구면 라디오 망원경(FAST)은 귀주성의 천연 계곡에 지어졌으며, 약 4,400개의 조정 가능한 알루미늄 패널로 만든 500미터 접시를 가지고 있으며, 주어진 시점에 약 300미터의 유효 개구경을 가지고 있다고 EarthSky는 보도합니다. 10센티미터에서 4.3미터의 파장을 관측하며 그것이 능가한 305미터 아레시보 접시의 약 2배 수집 면적을 보유합니다. FAST는 2020년 1월에 완전히 가동되기 시작했으며 2021년 8월에 국제 연구자들에게 관측 시간의 약 10%를 배분하기 시작했습니다.

그 민감도는 펄서의 기록적 수확으로 전환되었습니다. — 지구를 지나 등대처럼 라디오파 빔을 훑어내는 고속 회전하는 중성자별입니다. 2025년 10월 기준으로, FAST는 1,152개의 펄서를 식별했으며, 이는 중국 국영 방송국 CGTN이 보도한 것처럼 같은 기간에 전 세계 다른 망원경들에 의해 발견된 것의 총합을 초과합니다.

규모의 다음 도약은 이미 건설 중입니다. SKA 천문대는 프로젝트에 대한 자신의 설명에 따르면 2개의 상호 보완적인 배열을 건설하고 있습니다. 서호주의 SKA-Low는 131,072개의 안테나가 최대 74킬로미터의 기선에 걸쳐 있고, 남아프리카의 SKA-Mid는 197개의 접시 안테나가 최대 150킬로미터의 기선에 걸쳐 있습니다. 2개 사이트를 합치면 천문학자들이 기존 기구가 허락하는 것보다 더 큰 세부사항으로 은하 구조, 블랙홀 주변 환경, 중력파를 연구할 수 있도록 의도되었습니다.