전파가 오는 우주 (1)

 대기 밖 우주를 우리 눈으로 관찰하는 대신 다른 방법을 1931년 이전에는 생각하기가 어려웠습니다. 사람의 눈은 빛을 감지할 수 있기에 우주에서 반짝이고 있는 스스로 빛을 내는 별만을 관찰하면서 우리는 우주에 대해서 분석하고 있습니다. 그러던 중 1931년에 과학사적인 관점에 위대한 발견이 나타났습니다. 우주에서 전파가 나오고 있다는 것입니다. 독일의 물리학자 뢴트겐은 1895년 X선을 발견하였습니다. 이후 가시광선보다 짧은 파장을 가진 자외선과 가시광선보다 긴 파장을 가진 적외선이 존재한다는 것을 알게 되었습니다.

 

 그리고 1888년 하인리히 헤르츠가 몇 센티미터 정도의 파장을 지닌 전파를 발견한 이후 라디오 주파수 방출 기술 또한 발전을 거듭했습니다. 이후에 TV와 무선통신과 같은 기술들이 발명되었습니다. 우주에 있는 차가운 가스는 빛을 내보지 못하는 특성을 가지고 있습니다. 우리가 눈으로 볼 수 있는 빛이 나오지 않기에 천체망원경으로도 관측하지 못했었기에 이 가스구름에 대해서는 추측들만이 가능했습니다. 온도가 낮은 가스는 빛을 내지 못하지만, 온도가 높아지면 빛을 방출합니다. 그렇다면 온도가 낮으면 관측할 것이 없는 것이 아니라 온도가 낮은 가스구름은 적외선을 방출하고 있습니다. 적외선은 전자기파이고 파장이 길고 에너지가 작은 특성을 지니고 있습니다. 그렇기 때문에 온도가 낮아도 방출이 됩니다. 하지만 적정선보다 온도가 더 내려가면 적외선도 나오지 않기도 하지만 전파는 나옵니다. 전파의 특징은 적외선보다 파장이 길고 에너지가 낮은 전자파이기에 낮은 온도에서도 방출될 수 있습니다. 그러므로 차가운 가스는 전파로만 관측할 수 있게 됩니다.

 

 궁수자리 B2(Sgr B2)는 우리은하 중심에서 약 390광년 떨어진 곳에 있고 거대한 분자 구름입니다. 이 구름은 다양한 분자 구름으로 이루어져 있는데 이 중에서 에틸알코올 분자를 살펴볼 수 있습니다. 분자식은 C₂H₅OH 입니다. 새로운 분자가 발견될 때는 관측 장비로 양을 측정하게 되는데, 이것은 궁수자리 B2의 가스 온도, 밀도 등의 자료들을 통해서 에틸알코올 분자 1개가 내는 전파량이 몇 와트 W인지 알게 해줍니다. 그리고 이 전파가 지구에 도달한 후에 얼마나 약해졌는지 궁수자리 B2에서 지구까지의 거리로 계산할 수 있습니다. 이 말은 지구에서 관측된 전파는 에틸알코올 몇 개에 해당하지는 결정할 수 있는 자료가 됩니다. 가스구름 속에 있는 분자는 회전도 하며 자유롭게 움직입니다. +와 -가 있는 막대 분자가 회전하면 서로 바뀌면서 진동전류와 같은 전파를 발생시킵니다. 여기서 진동 전류는 진동 회로로 생기는 주파수가 큰 교류입니다.

 

 분자가 회전하는 수인 회전수가 주파수가 됩니다. 분자가 다르면 회전수도 달라집니다. 하지만 여기서 각운동량은 정해진 값뿐이 취할 수 없는 것을 적용하면 분자의 회전수도 유한한 값만 가질 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 차가운 가스는 전기가 없지만 전파를 내는 위 이유로 설명이 됩니다. 전파망원경의 주파수를 분자의 회전 주파수로 맞춰두면 분자가 회전하면서 발생하는 전파를 수신할 수 있습니다. 주파수는 분자의 종류에 따라 다릅니다. 그래서 전파를 밖으로 방출시키고 있는 분자의 종류도 알 수 있습니다. 예를 들어 메틸알코올(CH₃OH) 전파는 에틸알코올 전파보다 1만 배 정도로 강하게 수신되고 있습니다.

 

 전파망원경의 주파수를 이동시키면서 수신되는 전파 강도를 차례로 측정할 수 있습니다. 이렇게 측정하다 보면 전파가 강해지는 구간을 볼 수 있습니다. 다이얼을 돌리면서 흔들리는 미터기를 보고 그 모양을 나타낸 자료도 있습니다. 이러한 전파기록은 우주공간에 있는 분자들의 기록입니다. 그렇기 때문에 그래프에 분자식을 넣어두기도 합니다. 전파기록을 통해서 메틸알코올과 에틸알코올의 차이도 알 수 있습니다. 메틸알코올은 에틸알코올보다 회전수가 많은 분자를 가지고 있습니다. 전파기록으로 전파 강도 비교도 가능하고 가스 구름의 온도도 알 수 있습니다. 폭의 넓음과 좁음을 통해서도 우리는 새로운 정보를 얻을 수 있습니다.

 

 이후 1930년에는 전파를 활용한 원거리 통신이 가능하게 되었습니다. 무선통신 기술의 발전으로 가능한 일이었고, 당시 우주에서 오는 전파를 발견하는 데에 큰 역할을 한 사람이 칼 잰스키입니다. 칼 잰스키는 미국 출신의 물리학자입니다. 그는 은하계에서 나오는 전파를 최초로 발견하였고 전파천문학이라는 영역을 개척한 사람으로 간주하고 있습니다. 전파천문학은 우주로부터 오는 전파의 수신을 주로 다루는 천문학입니다. 일반적으로 천문학은 가시광선 관측을 주로 하지만 전파천문학은 전파영역을 탐지하는 천체를 분석하는 학문입니다.

 

 전파를 관측한 이후로 오늘날 당연한 무선통신들의 기초가 되었습니다. 또한 우주를 바라보는 다른 새로운 눈을 가지게 된 발견이며 수많은 정보를 주는 우주를 우리가 자세하게 분석할 수 있는 계기가 되었습니다. 또한 번개와 같은 자연현상들에 대한 설명도 전파로 가능해졌습니다. 알면 알수록 실생활과 관련이 있는 전파는 우주의 정보뿐만 아니라 지금 일상에서의 궁금증에도 답변이 될 수 있게 되었습니다. 특히 잰스키의 발견은 전파천문학의 시작을 알린 중요한 사건으로 인식됩니다. 그의 발견은 천문학의 새로운 관측 방식인 전파 관측을 열었다는 점에서 지금까지도 엄청난 혁신으로 평가됩니다. 이는 은하 중심, 성간 물질, 그리고 우주의 대규모 구조를 이해하는 데 기초적인 틀을 제공했습니다. 아름다운 우주를 이루는 물질들은 발견하게 된 역사적인 사건 또한 추가로 다뤄보는 것이 필요하겠습니다.

 

 

 

Reference

modern astronomy

stephan-widua