전파망원경으로 우주를 더욱 쉽게 본다

 우리는 꽤 오랜 기간 동안 우주를 우리의 눈으로 관찰하거나 광학망원경을 통해서 우주를 관찰하였습니다. 광학망원경은 가시광선 영역에서 물체와 천체의 빛을 모으거나 확대하여 대상을 관측하는 장비입니다. 즉 광학망원경은 사람의 눈으로 볼 수 있는 가시광선까지만 볼 수 있습니다. 이에 우주를 관측하는 데에는 한계가 있는 도구인 셈입니다. 하지만 전파망원경이 등장한 후 우주 관측과 우주의 비밀들을 밝혀내는 시간이 단축되게 시작하였습니다. 전파망원경은 나온 지 70년도 되지 않은 기간에 우주와 은하의 탄생과 성장과 별의 탄생, 그리고 죽음 이후의 세계에 이르기까지 우리가 지금까지는 파헤칠 수 없었던 많은 태초의 비밀들이 드러나게 되었습니다. 우주는 빛이 없지만 전파망원경의 등장으로 이제는 우주가 꽁꽁 감싸고 있던 신비로운 모습을 볼 수 있게 되었습니다.

 

 ‘전파’라는 요소는 천문학이 의존하던 눈으로만 볼 수 있는 영역을 뛰어넘었습니다. 천체는 단순히 눈으로 보이는 빛만 내보내는 것이 아니라 우리는 볼 수 없는 전파들을 내보내고 있었습니다. X선, 자외선, 적외선, 전파들뿐만 아니라 음파와 가스도 방출하고 있었습니다. 그러면 여기서 빛을 통한 관측과 전파를 통한 관측이 무엇이 다른지 알아보겠습니다. 우선 전파는 빛보다 긴 파장을 지니고 있습니다. 반면 X선과 자외선은 빛보다는 짧은 파장을 가지고 있습니다. 적외선은 빛과 전파 그 사이에 있는 파장을 지니고 있습니다. 파장 차이는 관측을 함으로써 볼 수 있는 현상들의 차이점을 보여주는 것입니다. 하늘을 볼 때 빛으로 들어오는 건 태양과 별과 같은 높은 온도와 밀도로 구성된 가스들입니다. 적외선은 고체와 고체로 이루어진 먼지들로부터 방출되는데 이는 온도가 조금 낮습니다. X선은 수백만도나 되는 고온의 물체에서 방출됩니다. 위에 설명대로 보면 알 수 있듯이 태양과 별이 천문학의 중심 역할을 하고 있음을 볼 수 있습니다.

 

 우주공간에서는 희박한 가스로  높은 온도를 지닌 성운이 있습니다. 이 안에서는 전자들이 활발하게 움직이며 충돌하고 있습니다. 이 충돌로 인해 불규칙하게 운동하게 됩니다. 이러한 전자들의 운동이 진동을 일으키고 파장이 다른 여러 전파를 발생시키게 합니다. 지구 대기를 통과할 수 있는 전파는 몇 mm에서 100m 정도 파장을 갖게 됩니다. 파장은 사람의 눈으로는 볼 수 없고 사진으로도 찍히지 않습니다. 이는 전자파로 전달됩니다.

 

 우주의 모습은 관측 방법들을 통해 다양한 모습을 발견할 수 있습니다. 망원경이 발명될 때마다 우주에서 발견하는 모습들은 다채롭습니다. 전파를 통해서 보는 우주는 이번에는 어떤 모습을 보여줄지 파헤쳐 나가봅시다. 지구라는 천체는 40억년 전부터 전자파를 받고 있었고 여기에는 방사선과 자외선 등이 포함되어 있습니다. 그런 후에 대기가 형성되고 대기가 전자파를 흡수하거나 차단해서 우리가 살 수 있는 현재의 환경이 되었습니다. 대기의 형성으로 지금은 우주에서 지표면까지 도달하는 전자파는 적어졌습니다.

 

 그렇다면 지표면까지 오는 전자파로는 뭐가 있을까요? 한 예로 천둥과 번개가 있습니다. 천둥과 번개는 요란하고 번쩍하는 빛 정도로만 보았지. 우주에서 온 전자파라고 생각하는 사람은 드물 것이라고 생각합니다. 심지어 번개는 전기라는 것이 이미 확인된 바 있습니다. 벤저민 프랭클린은 연에 금속 열쇠를 달아 실험을 하였고 이 실험으로 지금의 피뢰침이 발명되었다고 합니다. 이는 번개의 피해를 막는 용도로 사용되고 있습니다. 또한 초기 무선전신 발전에 역할을 한 포포프도 천둥이 방출하는 전파의 존재를 확인하였습니다. 천둥이 내뿜는 전파는 텔레비전과 라디오 송출에도 영향을 줍니다. 영상과 음성송출에 방해하고 통신과 관측에도 방해가 됩니다. 그리고 자연계에서도 전파에 영향을 주는 현상이 있습니다. 지금은 극지방의 관광으로 많이들 보러 가는 오로라가 한 예입니다. 오로라는 태양 폭발로 태양에서 방출되는 전기를 띤 입자의 움직임인 태양풍입니다. 극지방 초고층 대기 중에서 나타나는 발광 현상이며 대전 입자가 상공의 대기를 이온화하여 일어납니다. 즉 오로라는 태양활동이 활발하면 많이 발생합니다. 태양풍이 강하면 멀리서도 관측이 되고 있습니다. 오로라가 발생하면 단파를 비롯하여 전리층을 통과하는 위성 전파 송수신에도 영향을 줍니다.

 

 또 실생활에서 찾아볼 수 있는 예로는 형광등이 있습니다. 형광등에 라디오 안테나를 가져다가 대면 전파 잡음이 들립니다. 이는 형광등도 천체 전파 잡음과 비슷한 전파를 발생시킴을 보여줍니다. 이러한 현상은 오리온성운을 이루는 가스가 전리될 때 빛을 내는 것과 같습니다. 그리고 일산화탄소 분자도 전파를 발생시킵니다. 이는 1970년 우주공간에서 발견되었는데 이 발견은 별 탄생에 대한 연구를 활발하게 해주었습니다. 이 전파는 암흑성운과 같은 저온에서 나옵니다. 빛을 내지 못하는 원시 항성에 대한 정보가 제공된 셈이 되어 별에 대한 연구에 도움이 되었습니다. 그리고 또 여기서 중요한 것은 분자 스펙트럼선 도플러효과를 관측해서 가스구름의 운동 상태를 분석하는 것입니다. 도플러 효과는 파동의 발생원과 관찰자 사이에서의 운동으로 관찰자가 감지하는 파동의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 변하는 것입니다. 이는 빛과 소리, 그리고 전파와 모든 파동에서 나타나는 일반적인 물리현상으로 볼 수 있습니다. 전파를 통해서 우리는 우주를 다른 방식으로 보고 듣고, 실생활에서 전파가 어떻게 나오게 되었는지 살펴볼 수 있게 되었습니다.

 

 

 

Reference

modern astronomy

ben-wicks