전파 제트의 발견

 

 캘리포니아주 산호세 근처 해밀턴 산에는 릭 천문대가 있습니다. 이 천문대는 영구적으로 설치된 산악 천문대로서 현대천문학의 발전에 중요한 역할을 하였습니다. 1918년 밤에 릭천문대에서 커티스가 대형 망원경으로 처녀자리 은하단에 있는 타원 은하인 M87을 촬영했습니다. 이 천문학자가 관측 도중에 성운 중심의 별들 사이에 있는 희미한 청백색의 빛줄기를 발견하였습니다. 이 당시에는 성운이 우리 은하계 안에 있는 천체인지 아니면 우리은하와 관계없는 먼 곳의 천체인지 우리은하론과 섬 우주설이라는 결론 없는 논쟁이 이루어지고 있던 시대입니다. 커티스 또한 성운이 먼 천체라는 섬 우주설을 받아들인 상태였습니다. 섬 우주설은 과거 천문학의 주된 개념이었는데 우리은하 바깥에도 독립된 은하들이 존재한다는 것입니다. 그래서 커티스 또한 은하 근처에 삐죽 튀어나온 빛줄기에 대한 원인을 제대로 예측하기 힘들었습니다. 그렇기 때문에 천문학자들에게도 주된 관심사가 되지 못하였지만, 이는 현대천문학의 기준으로 본다며 굉장히 중요한 발견이었습니다.

 

 

 제2차 세계 대전 이후에 전파천문학은 비약적인 발전을 이루었습니다. 레이더와 전자 기술의 발전으로 천문학계에도 기술을 보유한 인력들이 유입되었습니다. 1954년 캘리포니아주 로스앤젤레스 인근 윌슨산에 위치한 윌슨산 천문대에서 바데와 민코프스키가 5m 망원경으로 이 빛줄기를 관측한 결과 이는 우주 제트라는 사실과 함께 매우 강력한 전파원이라는 사실을 밝혀냈습니다. 그리고 2년 뒤에는 빛의 화살인 우주 제트의 가시광 자기장 벡터 진동 방향이 특정한 방향으로 정렬된 상태인 편광 현상도 보이고 있음을 발견했습니다. 전파 천문학자들 또한 이 우주 제트가 내는 전파도 편파 되고 있음을 발견했습니다. 이 사실로 설명되는 것은 제트가 자기장의 자력선을 따라나선 운동을 하는 전하들로 이루어져 있어야 함을 말합니다.
빠른 속도로 운동하는 전자가 자기장으로 들어가게 되면 전자는 자기장의 영향을 받아서 자력선 주위로 나선 운동을 하게 됩니다. 나선 운동으로 전기장도 광속의 빠르기로 변화하면서 전자파를 방출하게 되는데, 이를 싱크로트론 복사 또는 제동 복사라고 합니다.

 

 1953년 러시아의 슈크로프스키와 그가 속한 연구 그룹은 우주 전파의 발생 원인을 싱크로트론 복사에 의한 것이라고 제안하였습니다. 게성운의 초신성 잔해에서 방출되는 가시광선과 전파의 연속적인 복사는 성간공간에 있는 자기장에 의한 싱크로트론 방출과 동일한 원리로 발생한다고 확신하였습니다. 천체물리학자인 고든과 진즈버그는 이후에 한 관측으로 성간공간에서의 자기장 존재를 처음으로 입증하였습니다.

 

 1966년에는 전파천문학자들이 제트가 은하계 밖의 강력한 X 선원이라는 것도 발견하였습니다. 하지만 여기서 다시 의문점이 생기게 됩니다. M87의 제트가 X 선원이라는 것은 굉장히 강력한 에너지를 방출한다는 것인데, 이만큼의 강도를 가진 에너지를 방출한 전자들의 존재 시간이 짧을 수밖에 없습니다. 이 가정이 성립되려면 계속해서 에너지를 방출하기 위해서 전자들이 계속 공급되거나 혹은 활동을 유지할 수 있는 또 다른 활동이 설명되어야 했습니다. 제트의 에너지원에 대한 천문학자들의 궁금증은 커져만 갔습니다.

 

 에너지원에 대한 의문과 함께 제트의 개수가 하나뿐이라는 점도 천문학자들은 궁금해했습니다. 구조에 대한 궁금증인데 이는 미국의 저명한 천문학자인 할톤 아프에 의해 1967년 발표된 ‘피곤한 빛의 우주론’에서 실마리를 찾을 수 있었습니다. 아프 박사는 팔로마산에서 200인치의 망원경으로 노출은 장시간으로 두고 전파 제트의 반대 방향에서 방출되고 있는 희미한 성운 물질의 제트를 찾아냈습니다. 여기서 제트가 한쪽이 아닌 양쪽으로 뻗어 나가고 있다는 사실도 알게 되었습니다. 또한 천문학에서 널리 사용되는 기술인 빛(광자)을 전기 신호로 변환하여 고해상도의 디지털 이미지로 생성하는 관측으로 전파가 제트 내부가 아닌 표면에서 나오고 있다는 발견을 하게 됩니다. 이 기술은 전하결합소자 관측이라고 합니다. 여기서 전하결합소자(CCD)는 반도체 소재로 만들어진 광센서로서 빛이 CCD 표면에 닿으면 전자의 활성화로 전하를 생성하고 이 전하가 픽셀에 저장된 후에 읽으면 디지털 신호로 변환되는 것입니다.

 

 현재에는 이 기술이 천문학, 사진 촬영, 의료 영상 등의 다양한 분야에서 활용되고 있으며 필름 카메라를 대체할 수 있게 한 혁신적인 발전으로 평가받고 있습니다. 이러한 CCD의 천문학에서의 기능은 광자에너지를 전하로 변환하는 것이고, 이전 전하를 판독할 수 있도록 이동시키는 기능을 합니다.

 

 우주 제트와 관련된 발견은 계속해서 발견되었고 가장 주목받는 연구는 은하 NGC 6251과 관련된 제트입니다. 은하 NGC 6251의 전파지도를 보면 은하 중심에 있는 전파원과 제트의 모습을 볼 수 있습니다. 이는 초대형 배열 전파 망원경의 영상이며 이는 은하가 존재하는 곳에 등고선이 집중되어 있는데 이 위치에서 전파가 강하다는 것을 말해줍니다. 은하의 양쪽에는 넓은 범위의 등고선이 분포합니다. 이것은 전파가 이 등고선 영역만큼 넓은 범위에서 나오고 있다는 뜻입니다. 그리고 강한 자기장 속은 운동하고 있을 때 볼 수 있는 활동 은하의 한쪽에 나온 전파의 돌출부를 볼 수 있습니다. 이 전파는 광속의 빠르기로 가속된 전자입니다. 은하 속에서 무엇인가에 의해서 전자가 가속되고 있는 것입니다. 우리가 살고 있는 은하계와 안드로메다 성운 간 거리는 약 250만광년인데 이 돌출부와 우리은하의 거리는 약 1,000만 광년이나 됩니다. 이 현상이 어떻게 가능한지에 대해 천문학자들의 궁금증은 커져만 갔습니다.

 

 천문학자들은 전파를 방출하는 부위를 더욱 자세하게 관측하기 위해서 초장기선 배열 전파 망원경을 사용했습니다. 이 망원경으로 본 영상은 제트의 안쪽 부분을 자세하게 보여주었는데, 전파의 방출이 특정한 방향을 가지고 있는데 방향이 은하계의 중심을 향하고 있습니다. 이를 통해 아직 밝혀지지 않은 현상의 출발지가 은하의 중심에서 나오는 것일지, 가속된 전자가 제트가 되어서 은하 사이 공간으로 나오고 있는 건 아닐지 하는 생각을 가지게 되었습니다. 전파 제트에 대해서 알기 위해서 더욱 세밀하고 성능이 좋은 전파 망원경이 필요합니다.

 

 기술의 발전으로 관측 능력이 좋아지면서 우리은하에서 얻는 정보들도 많아지고 정확해지고 있습니다. 알 수 없는 메커니즘으로 돌아가고 있는 듯한 전파 제트를 알아내는 과정을 좇아가며 천문학의 발전 과정을 알아보고 우리은하가 주는 이야기를 함께 알아가는 시간이 되었으면 합니다.

 

 

 

Reference

Modern astronomy

 

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