전파가 오는 우주 (2)

잰스키는 1930년대 초 전파천문학의 창시자로 불릴 만큼 전파천문학 발전에 크게 기여했습니다. 잰스키는 1931년에 AT&T 벨 전화연구소 소속의 무선통신 기사로서 무선 통신의 방해 요소를 연구하고 있었습니다. 잰스키는 미국 뉴저지주의 홀름델의 있는 야외 실험장에서 일하고 있었는데, 벨 연구소로부터 그는 정적잡음의 영향을 연구하라는 지시를 받습니다. 당시 무선통신은 대서양을 넘는 장거리 전송을 시도하고 있었습니다. 이는 벼락이 떨어질 때 일어나는 정전기의 공전 현상이 대양 횡단 전화 소리에 방해를 일으키는 영향을 찾는 것입니다. 이 연구를 위해서 먼 거리에서 발생하는 천둥 번개를 감지할 수 있을 정도의 단순한 안테나를 만들어 연구하고 있었고, 그 영향을 밝혀낸다면 바다를 사이에 둔 대륙 간 통신에서 영향을 가장 적게 받는 빔 안테나 회로를 설계하는 데 많은 도움이 될 수 있다고 여겨졌습니다.

 

잰스키는 이 문제를 해결하기 위해서 새로운 형태의 안테나를 고안하였습니다. 이 안테나는 한 방향으로만 강한 전파를 방사하거나 받는 능력이 있는 지향성 안테나이고 생김새 또한 현대의 전파망원경과는 다른 모습을 보여주고 있습니다. 잰스키는 특정 주파수(14.6미터 파장인 약 20.5MHz)를 감지할 수 있는 회전형 안테나를 설계했습니다. 모터와 바퀴를 달아서 20분 주기로 회전할 수 있게끔 설계했습니다. 이 안테나는 잰스키 안테나라고 불리며, 360도 회전할 수 있어서 특정 신호의 방향과 원인을 탐지할 수 있었습니다. 또한 감도 높은 수신기와 전파를 기록할 수 있는 기록계로 매일의 기록을 쌓아나갔습니다.

잰스키는 이를 관찰하면서 이 안테나가 수신한 전파에서 전선에서 발생하는 잡음과 같은 인공적인 전기적 간섭에서 일어나는 전파, 번개와 같은 자연적인 전파 방해, 그리고 내일 일정한 시간 동한 한 번씩 수신되는 알 수 없는 주기적인 신호를 발견하였습니다.

 

이 알 수 없는 신호는 지구의 기상 상태와 상관없이 하루 약 23시간 56분 간격으로 주기적으로 나타나고 있음을 관측했습니다. 이 전파 잡음은 매일 최고조에 도달하는 시간이 4분씩 빨라지고 있었던 것입니다. 이 간격은 항성일과 일치하고 이는 지구 자전 주기에 따라 별이 하늘에 같은 위치에 나타나는 주기와 일치합니다. 즉, 이 신호는 지구 내에서 발생한 것이 아닌 우주에서 온 전파라는 것을 확인하게 되었습니다.

잰스키는 불확실한 기원에서 오는 지속적인 잡음이 태양과 관계가 있을 거라는 생각과 함께 추가로 조사를 했습니다. 그는 이 신호가 은하수의 중심 방향에서 오고 있음을 알아냈고, 특히나 궁수자리에서 강하게 나타났다는 것을 알게 되었습니다. 궁수자리는 은하수 중심에 가까운 위치로 이 전파는 우리은하 중심에서 방출된 전파였습니다.

 

잰스키는 자신이 발견한 내용을 1933년 논문으로 발표했습니다. 하지만 당시 천문학계에서는 가시광선 연구에 집중하고 있어서 큰 주목을 받지는 못했습니다. 그는 전파천문학의 발달을 위해서는 보다 크고 예리한 지향성을 지닌 안테나를 만들어 우주공간 방향에 따라 세밀하게 관측할 수 있어야 한다고 주장했습니다. 그 이유는 안테나의 길이, 크기, 면적 등이 파장의 수신과 큰 관계가 있기 때문이라고 했습니다. 주파수가 올라갈수록 파장은 짧아지면서 작은 안테나가 필요하게 되고, 주파수가 낮고 긴 전파를 측정하려면 큰 안테나가 필요합니다. 특정 방향에서의 오는 전파를 수신하려면 안테나의 방향도 중요합니다. 이 모든 조건을 충족하기 위해서는 기존의 안테나보다 보다 정밀한 안테나가 필요합니다. 이 관측으로 방향성이 제시되고 은하에 대해 관측하는 문이 열리게 된 것입니다. 잰스키가 1930년대에 사용했던 회전형 안테나는 현재 존재 하지 않지만, 업적을 기리기 위해서 미국 웨스트버지니아주 그린뱅크에 위치한 국립천문대에 복제품이 설치되어 있습니다.

그리고 잰스키의 발견은 1940년대에 다시 주목받았는데, 이때 전파천문학에 대한 연구가 본격적으로 시작되었고 그의 업적은 전파천문학의 기반으로 재평가되었습니다.

Grote Reber

1937년 그로트 레버는 일리노이주에 있는 자기 집 뒷마당에서 망원경을 제작했습니다. 이는 직경 약 9.5미터의 금속 접시 모양의 안테나로 이루어져 있습니다. 이 금속 접시는 전파를 수집하고 반사하는 역할을 하고, 접시 중심 초점에 의한 안테나 피드가 전파를 모아 수신기로 전달하는 역할을 합니다.

 레버의 망원경은 전파 망원경으로 전파 천문학의 시작을 이끈 중요한 도구입니다. 이는 최초의 특수 제작된 전파 망원경입니다. 레버는 전파 천문학의 선구자 중의 한 명으로 잰스키의 발견을 이어받아서 우주에서 오는 전파를 연구하기 위해서 망원경을 설계했습니다. 레버는 잰스키의 연구 논문을 접한 후에 전파로 우주를 관찰할 수 있다는 가능성을 확신하게 되었었습니다. 그러나 당시 상황상 잰스키의 이후 전파에 관해 관심을 갖지 않았기 때문에 레버 스스로 망원경을 제작하게 된 동기가 되었습니다.

 

레버는 망원경으로 밤하늘 구석구석 전파 사진을 찍어 은하수 전역에서 방출되는 전파를 관측해서 최초의 전파지도를 제작했습니다. 이 사진들로 우주를 연구하게 시작한 셈인데, 이 지도는 은하수 중심과 특정 천체에서 강한 전파가 방출된다는 것을 보여주었습니다. 이는 전파 관측으로 가시광선이 아닌 파장에서 천체를 연구할 수 있는 가능성을 증명할 수 있는 자료가 되어 전파천문학을 발전시켰습니다. 레버의 망원경 안테나는 잰스키가 제작한 것보다 작은 것이었지만 잰스키가 관측한 것보다 더욱 긴 파장을 관측할 수 있었고, 이 안테나는 전파를 수신하는 데 있어서 특정 방향에서 강한 성질을 가지고 있는 지향성이 더욱 좋았습니다. 레버는 하늘을 체계적으로 관측하였고 200여개의 전파 잡음을 찾아 기록해서 이를 도면으로 제작하게 되었습니다. 레버 전파분포도의 강한 방출이 집중된 곳은 궁수자리 방향이었고, 이 발견은 잰스키의 발견을 확인한 셈이 되었고 관측 결과는 논문으로 발표했습니다. 레버는 학계나 기관의 지원 없이 스스로 기기를 만들어 독자적으로 연구를 한 독립 연구자의 사례로 꼽힌다고 합니다.

잰스키가 발견한 전파에 대한 발견을 시작으로 그 뒤 레버가 전파천문학을 본격적으로 연구할 수 있도록 기틀을 마련해주었고 이는 전파천문학 관측의 기초를 마련해준 중요한 기기로 평가되고 있습니다.

 

 

 

 

 

Reference

Modern astronomy

Wikipedia

damon-leverett