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뮌헨에서 멀지 않은 곳에 설치된 링 레이저 시스템은 지구상에서 유일한 측정소.
무선 망원경 대신 레이저 광을 이용.
GPS 위성, 지진학 및 기본 연구 데이터로 활용

링레이저로 지구의 회전을 측정
지구 표면에서 지구의 회전 및 경사에 대한 최초의 실시간 측정

지하에서 시연 :
처음으로, 연구원들이 새로운 링 레이저 시스템을 통해 지구 표면에서 직접 지구의 회전 운동을 실시간으로 측정했다. 지금까지 지구 운동의 미묘한 변동은 무선 망원경 네트워크로만 기록 할 수 있었다. 뮌헨에서 멀지 않은 곳에 설치된 링 레이저 시스템은 현재 한 곳에서만 측정이 가능하다.

▲ 지하에 내장된 ROMY 링 레이저 시스템은 실시간으로 레이저를 사용해 지구의 움직임을 측정했다. © J. Igel / ETH 취리히

원칙적으로 지구는 24시간마다 한 번씩 자전하지만 회전 속도나 방향은 일정하지 않다.
달의 인력, 바다와 대기의 움직임, 심지어 지진과 같은 요인들이 지구의 자전과 축 기울기에 영향을 준다. 결과적으로 하루의 길이는 시간이 지남에 따라 증가하고 약간 변동한다. 동시에 지구는 축을 중심으로 약간 흔들린다.

무선 망원경 대신 레이저 광을 이용

지금까지 이러한 작은 불규칙성은 소위 VLBI (Very Long Baseline Interferometry)라고 하는 전 세계 무선 망원경 네트워크로만 탐지할 수 있었다. 이 목적을 위해 망원경은 먼 퀘이사를 목표로 하고 그들이 지구에 도착하는 시간으로부터 지구의 위치와 움직임을 결정한다.
복잡한 데이터 분석으로 인해 이 절차는 항상 며칠 지연된 후에 결과를 알 수 있다.

▲ 세계 무선 망원경 네트워크(VLBI) 동영상 캡쳐

그러나 최근에 새로운 유형의 레이저 측정 시스템의 첫 번째 결과가 입증됨에 따라 다른 방법이 있게 됐다. ROMY(Rotational Motions in Seismology, 지진학에서의 회전 운동)라고 하는 이 시스템은 특수 레이저 배열인 링 레이저를 사용해 지구의 움직임을 측정한다.

VLBI에 참여한 비인 공대(Vienna University of Technology)의 연구원 요한네스 뵘(Johannes Boehm)은 "매우 흥미로운 것은 위성이나 은하계 방사선 소스를 대상으로 하지 않고도 하나의 장비로 지구 표면에서 직접 지표면을 직접 측정 할 수 있다는 것이다"라고 설명했다.

어떻게 링 레이저는 지구회전을 측정할까

지구 운동의 레이저 측정은 거울에 의해 반사돼 닫힌 삼각형을 형성하는 소위 링 레이저 빔을 기반으로 작동한다. 물리학자들은 1960년에 같은 원형으로 도는 레이저 빔이 반대 방향으로 같은 원을 통과하는 것보다 지구의 회전 방향으로 주행하는 경우 이동하는 데 몇 초의 시간이 더 걸린다고 확인했다.

결과적으로 레이저 광선에 약간의 위상 변화가 발생해 특정 간섭 패턴을 만드는 것이다.
이것으로부터 변위가 얼마나 큰지 알 수 있으며, 지구의 움직임에 관한 결론을 도출할 수 있다. 2017년 뮌헨 공과 대학의 하이너 이겔(Heiner Igel)이 이끄는 연구자들은 뮌헨 근처의 퓌르스텐펠드브루크(Fürstenfeldbruck)에 이러한 시스템을 설치해 가동했다.

구체적으로, ROMY 시스템은 땅에서 약 15미터 깊이에 4면체의 측면을 형성하는 4개의 링 레이저로 구성된다. 각 링 레이저는 정삼각형의 모서리에 형성하고 있다.

아래 동영상 캠쳐 화면

첫 결과

최근 이겔과 그의 팀은 ROMY 시스템의 최초 47일 연속 측정 결과를 평가했다.
이 비교적 짧은 측정 시간에도 링 레이저 시스템은 아크 초 미만으로 지구 축의 흔들림을 측정할 수 있을 정도로 정확하게 작동함을 증명했다.
이 시스템은 지구의 회전 속도를 5억분의 일 이내로 기록했다.

"이것은 토양 회전을 측정하기 위한 세계에서 가장 정확한 도구다"라고 Igel은 말했다.
ROMY는 아직 VLBI만큼 정확하지는 않지만 측정된 값을 실시간으로 불러올 수 있다.
연구원들이 설명 하듯이 링 레이저는 무선 망원경을 사용한 회전 측정에 귀중한 부가 물입니다.

▲ 지하 15미터에 정사면체 모양으로 구성돼 있다.

GPS 위성, 지진학 및 기본 연구 데이터

레이저 측정값은 한편으로는 GPS 위성의 궤도 보정뿐만 아니라 기본 연구에도 유용하다.
"측정은 지진 물리학뿐만 아니라 지진 단층 촬영에 대한 과학적 잠재력이 있다"라고 Igel은 설명했다. "지진학의 경우, 우리는 이미 지진과 해양 지진파로부터 매우 귀중한 데이터를 관찰 할 수 있었다."

링 레이저 측정은 화산의 지하 마그마 흐름이 지구 운동의 미세한 변화로도 식별될 수 있기 때문에 화산 연구에 도움이 될 수 있다. 다른 방법과 함께 측정을 통해 지구 내부의 본질과 메키니즘에 대한 결론도 도출 할 수 있다.
(Physical Review Letters, 2020; doi: 10.1103/PhysRevLett.125.033605)

출처: TU München, American Physical Society APS

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green soul, Beautiful Science"

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