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- 지상파 간섭으로부터 보호되는 LuSEE-Night의 고감도 무선 안테나
- 망원경은 현재 미국에서 건설 중이며 2025년 달 뒷면에 착륙 탐사선 배치
- 달 뒷면은 특정 방사선 성분을 흡수해 왜곡을 일으키는 교란 대기가 없어 최적 장소
- LuSEE-Night는 처음으로 초기 우주 암흑기의 약한 신호를 포착하기 위한 것

달의 뒷면을 위한 최초의 망원경
전파 망원경 LuSEE-Night는 우주의 "암흑기"에서 처음으로 신호를 포착한다.

Lunar Listening Post:
천문학자들이 곧 처음으로 달의 뒷면에 전파 망원경을 설치할 것이다. 지상파 간섭으로부터 보호되는 LuSEE-Night의 고감도 무선 안테나는 최초의 별이 형성되기 전인 우주 암흑기의 약한 신호를 포착하기 위해 존재한다. 망원경은 현재 미국에서 건설 중이며 2025년 달 뒷면에 착륙 탐사선을 배치할 예정이다. 

▲ 달의 뒷면의 모습. 여기에 지상파 간섭 신호로부터 보호되는 최초의 소형 전파 망원경이 2025년부터 설치될 예정이다. © NASA/GSFC, Arizona State University

달의 뒷면은 오랫동안 매우 민감한 망원경을 위한 이상적인 장소로 여겨져 왔다. 지구와 달리 지구의 위성에는 특정 방사선 성분을 흡수해 왜곡을 일으키는 교란 대기가 없기 때문이다. 달은 고정된 회전으로 우리를 공전하기 때문에 달의 뒷면은 영구적으로 지구에서 볼 수 없었다. 그 결과로 지상 기술의 간섭 전파 방출로부터 잘 보호된다. 14일의 달의 밤 동안에는 어둠과 무선 침묵이 모두 있어 천문학에 이상적이다.

극한 조건

그러나 문제가 있다. "달은 화성보다 도달하기 쉽지만 다른 모든 것은 진정한 도전이다"고 BNL(Brookhaven National Laboratory)의 폴 오코너(Paul O'Connor)는 설명한다. "지난 50년 동안 단 한 대의 로봇 로버가 달에 착륙한 데는 이유가 있다. 100배 더 먼 화성에는 이미 6대의 로버가 착륙했다." 주요 문제 중 하나는 열악한 조건이다.

대기가 없으면 달 표면은 민감한 전자 장치를 손상시킬 수 있는 강렬한 우주 광선에 노출된다. 또한 기온이 달의 낮에는 +120도, 밤에는 영하 173도 사이에서 2주마다 번갈아 나타난다. 망원경과 과학 장비는 이러한 극심한 변동을 견뎌야 한다. 세 번째 문제는 위치다. 달의 뒷면은 방해받지 않는 천문 관측에 유리하지만 데이터 전송 및 통신을 어렵게 만든다. 달 궤도에 중계국 역할을 할 수 있는 우주 탐사선이 있었기 때문에 착륙 탐사선 및 기타 인공 기구와의 무선 접촉이 가능했다.

▲ LuSEE-Night 착륙 지점: 전파 망원경은 2025년부터 이곳에서 작동할 예정이다. © Brookhaven 국립 연구소

LuSEE-Night: 달에 있는 전파 망원경

이러한 모든 어려움은 이제 LuSEE-Night(Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night) 프로젝트에 의해 극복될 것이다. NASA와 미국 국립 연구소의 과학자 팀은 가까운 장래에 달의 뒷면에 최초의 전파 망원경을 배치할 계획이다. 팀은 이미 프로토타입을 성공적으로 구성하고 테스트했다. "LuSEE-Night는 표준 전파 망원경이 아니라 일종의 라디오 수신기에 가깝다"고 BNL의 Anže Slosar는 설명했다. "망원경은 초고주파 대역 근처의 신호를 포착하고 분광계를 사용해 주파수로 분리한다.“

LuSEE 야간 전파 망원경은 회전식 베이스에 부착된 약 3m 길이의 안테나 4개로 구성됐다. 망원경이 NASA의 상업용 달 프로그램의 탐사선에 의해 달 표면에 배치된 후 안테나가 배치된다. 악기는 달의 낮에는 태양 전지로, 밤에는 배터리로 전원을 공급받는다. "그러나 LuSEE-Night는 달의 밤 추운 온도에서만 작동한다"고 NASA의 Joel Kearns는 설명했다.
LuSEE-Night의 착륙 장소는 이미 선정되었다. 망원경은 남위 23도, 동경 176도의 고원에 설치된다.

우주의 암흑기를 처음으로 들여다보다

임무의 과학적 목표는 야심차다. LuSEE-Night는 처음으로 초기 우주 암흑기의 약한 신호를 포착하기 위한 것이다. 이 시대는 최초의 원자가 형성되고 우주 배경 복사가 방출되면서 빅뱅 이후 약 38만년 후에 시작됐다. 그것은 빅뱅 이후 약 3억 년 후 최초의 별 형성과 우주 새벽의 시작으로 끝났다.

지금까지 암흑기는 우주 발전의 미개척 시대였다. 제임스 웹 망원경이나 지상파 전파 망원경과 같은 강력한 망원경으로도 최초의 은하계의 시간을 되돌아볼 수 있기 때문이다. Slosar는 "우리 은하의 전파 방출이 상당히 밝고 그 뒤에 암흑기의 신호가 숨겨져 있기 때문에 측정이 매우 어렵다"고 설명했다. 그러나 전파가 없는 달의 뒷면과 LuSEE-Night의 민감한 전파 분광계는 이러한 약한 방출을 식별할 수 있다.

▲ LuSEE-Night는 우주 암흑기의 신호를 포착하기 위한 것이다. © NASA/ WMAP Science Team

"본 적 없는 신호“

천문학자들은 LuSEE 야간 망원경의 데이터가 최초의 별과 은하의 형성을 위한 조건을 만든 시대에 대한 귀중한 통찰력을 제공하기를 바란다. "LuSEE-Night를 통해 우리는 처음으로 이전에 본 적이 없는 암흑기 신호를 관찰할 수 있다"고 미국 에너지부 과학국의 Asmeret Asefaw Berhe는 설명했다. "우리는 이제 앞으로 수십 년 동안 암흑기를 탐험하기 위한 토대를 마련하고 있다.“

달 뒷면의 데이터는 우주 진화 모델을 확인하고 완성하는 데 도움이 될 수 있다. "지금까지 우리는 우주의 초기 단계에서 무슨 일이 일어났는지 추측할 수 있을 뿐이다"고 Slosar는 말했다. “암흑기 신호는 여기에서 우리에게 새로운 참조 데이터를 제공할 수 있다. 그리고 이러한 데이터가 우리의 이론적 모델에 맞지 않으면 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학의 힌트를 발견할 수도 있다.”

NASA와 DOE는 아직 정확히 LuSEE-Night가 달에 도착할 시기를 발표하지 않았다. 임무는 2025년 말에 계획되어 있다. 일단 달에 도착하면 LuSEE-Night는 최소 2년 동안 천문 데이터를 수집해야 한다. 동시에 임무는 더 큰 후속 망원경에 대한 테스트 사례이며, 달 분화구 중 하나에 접시로 만들 수 있다.
출처: NASA, Brookhaven 국립 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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