목차
● 전파천문학의 역사
● 관측
● 자연적인 천체의 전파 발생
전파천문학의 역사
전파천문학은 전파 주파수대에서 천체를 연구하는 천문학의 하위 분야입니다. 또 전파 천문학은 우주에서 오는 전파를 통하여 은하나 별들을 연구하는 학문입니다.
천체에서 나오는 전파를 처음으로 탐지한 것은 1930년대의 칼 잰스키가 우리 은하에서 오는 전파를 받아낸 것이 처음입니다. 그 뒤를 이은 관측 결과 수많은 서로 다른 전파 방출원들이 발견되었습니다. 항성이나 은하, 전파은하, 퀘이사, 펄사, 메이저 등 완전히 새로운 종류의 천체들이 발견되기도 하였습니다. 대폭발 이론에 강력한 근거를 제공한 우주 마이크로파배경의 발견이 바로 전파천문학을 통하여 이루어진 것입니다.
전파천문학은 전파망원경이라고 하는 거대한 전파 안테나를 사용하여 수행됩니다. 단일한 전파망원경이 사용되기도 하고, 다수의 전파망원경을 연결해 전파 간섭계를 만들고 개구합성을 하기도 합니다. 간섭계를 사용하면 간섭계를 구성하는 개개의 망원경 사이의 거리에 의하여 분해능이 결정되므로 개개의 망원경보다 좋은 분해능을 얻을 수 있습니다.
1930년대에 잰스키가 은하수를 관측하기 전에도 물리학자들은 천체가 전파원이 되어 그 전파를 관측할 수 있을 것이라고 추측했습니다. 1860년대 제임스 클러스 맥스웰의 멕스웰 방정식은 전자기파가 전기 및 자기와 관련이 있으며 어떠한 파장에서도 존재할 수 있다는 것을 보였습니다. 올리버 로지, 니콜라 테슬라 등이 태양에서 방출되는 전파를 검출하려고 여러 번 시도하였으나 기술적인 한계로 인하여 번번이 실패하였습니다.
칼 잰스키는 1930년대 초반 천문학적 전파원을 최초로 우연히 발견하였습니다. 벨 전화 연구소 소속 공학자였던 칼 잰스키는 대서양 횡단 음성전송에 사용되는 단파 통신에 자꾸 끼어드는 잡음을 조사하고 있었습니다. 커다란 지향성 안테나를 사용한 잰스키는 아날로그 펜과 종이 기록에 정체불명의 전파원에서 오는 반복되는 신호가 기록되고 있음을 알아차렸습니다. 신호가 매 24시간마다 절정에 달하였기 때문에 잰스키는 처음에는 간섭의 원인이 자신의 지향성 안테나의 시야를 가로지르던 태양이 아닌가 추측하였습니다. 분석을 계속한 결과 전파원의 반복 주기는 태양을 따라가는 정확한 24시간이 아니라 23시간 56분으로 나타났습니다. 잰스키는 이 영문모를 현상을 동료인 천체 물리학자이자 교사인 앨버트 멜빈 스켈렛에게 털어놓았습니다. 스켈렛은 23시간 56분이 1항성시를 가리키며 이것은 전파원이 지구가 1회 자전할 때마다 안테나의 시야에 들어오게 되는, 천구상에 "고정" 되어 있는 천체라는 것을 의미한다는 것을 지적하였습니다. 자신의 관측 결과를 광학 천문도와 대조해 본 잰스키는 마침내 자신의 안테나가 궁수자리의 은하수가 가장 짙은 지역을 가리켰을 때 문제의 전파원이 절정에 달하였다고 결론 내렸습니다. 그는 태양과 다른 항성들이 전파 잡음을 일으킬 정도로 큰 전파원이 아니므로 문제의 전파 간섭은 은하의 성간 가스와 먼지에 의해 생성된 것이라고 생각했습니다. 잰스키의 전파원은 하늘에서 가장 강력한 전파원 중 하나로 1950년대에 궁수자리 A라고 명명되었습니다. 그리고 이것은 성간 가스와 먼지는 아니었으며 이 구역에서 발견된 천체들이 발생시키는 강력한 자기장과 그 안의 전자에서 방출되는 것임이 밝혀졌습니다.
잰스키는 자신의 발견을 1933년에 발표했습니다. 그는 은하수에서 나오는 전파를 보다 상세히 조사하고 싶어 했습니다. 하지만 벨 연구소는 그를 다른 프로젝트로 전출시켰고, 그 이후 잰스키가 천문학 분야에서 다른 업적을 남긴 바는 없습니다. 하지만 전파천문학에 있어서 그의 선구자적 업적은 선속밀도의 기본 단위 잰스키(Jy)를 그의 이름을 따서 명명함으로써 기려지고 있습니다.
1937년 잰스키의 연구에 영감을 받은 그로트 레버가 자기 집 뒷마당에 직경 9미터짜리 포물면 전파망원경을 설치하였습니다. 잰스키의 관측을 반복하는 것으로 연구를 시작한 레버는 최초의 전파 대역 전천 탐사를 수행하였습니다. 1942년 2월 27일에는 영국 육군 연구장교 제임스 스탠리 헤이가 태양에서 방출되는 전파를 최초로 검출하였습니다.
관측
관측은 약 1mm보다 긴 파장대의 전자기파를 이용합니다. 전파천문학은 관측천문학의 다른 분야와는 달리 관측된 전파를 개개의 광자로 다루기보다 파동으로 다룹니다. 그러므로 짧은 파장 영역의 전자기파에 비하여 전파의 세기와 위상을 측정하는데 상대적으로 수월합니다. 어떤 전파는 열적 발산의 형태로 천체에 의하여 생성되기로 하지만 지구상에서 관측 가능한 대부분의 전파 방사는 싱크로트론 복사의 형태입니다. 또 별들 사이의 가스, 특히 21cm 수소분광선에 의하여 생성된 많은 분광선들이 전파영역에서 관측 가능합니다. 전파천문학에서 다루는 천체는 초신성, 펄사, 성간가스, 활동은하핵 등 매우 다양합니다.
천체의 전파는 미약하기 때문에 관측은 전파망원경에 의하여 이루어집니다. 전파는 파장이 길기 때문에 성간 물질에 의한 산란을 받지 않고, 가시광선으로 관측할 수 없는 암흑 성운의 뒤쪽 등을 관측하는 것이 가능합니다.
그러나 단파보다 파장이 40m 이상 긴 전파는 전리층에서 반사되기 때문에 지상에 닿지 않습니다. 또 파장이 3cm 이하로 짧은 전파는 대기 중의 물 분자와 산소 분자에 의하여 흡수되므로 역시 지상에 도달하기 어렵습니다. 따라서 그 사이 파장의 전파가 관측에 사용되고 있습니다. 1980년대 이후 관측장치의 위치를 고려하면서 전파망원경의 집광력 등을 향상 시키는 등의 방법을 통하여 밀리미터 영역에서 하위 밀리미터 영역의 관측도 수행하고 있습니다.
자연적인 천체의 전파 발생
천체는 특정한 전파를 발생시킵니다. 여러 파장에서 관측을 수행하면, 천체에서 어떤 전파가 발생하는지 알 수 있습니다. 그리고 그것을 통하여 천체의 성질을 파악할 수 있습니다.
- 싱크로트론 방사선
광속에 가까운 전자가 자기장에서 로렌츠 힘을 받아 원운동 할 때 방출됩니다. 파장 의존성이 강안 연속 스펙트럼을 가진 편광을 발생시킵니다.
- 열 제동 방사선
고온의 플라즈마에서 전자가 원자핵의 인력을 받아 진로가 구부러질 때 방출됩니다. 파장 의존성이 작은 연속 스펙트럼을 가진 빛을 발생시킵니다.
- 이온화 원자 재결합
이온화하는 원자와 전자가 재결합할 때 방출됩니다. 선 스펙트럼을 가집니다.
- 수소 원자의 파장 21cm선
수소 원자 사이의 전자스핀이 반전될 때 방출됩니다.
- 분자의 회전 경로
암흑 성운에서 분자의 회전 경로가 변경될 때 방출됩니다. 선 스펙트럼을 가집니다.
- 우주 마이크로파 배경
대폭발의 순간에 우주로 채워진 빛의 흔적입니다.
제2차 세계대전 이후 전쟁 중에 발달한 레이다 기술이 적용되어 추가 관측이 행해지게 되었습니다. 그러나 전파 관측은 광학 관측에 비하여 해상도가 매우 뒤떨어지는 단점이 있습니다. 간섭계의 응용을 통하여 이 문제가 크게 개선되었습니다. 그 결과 많은 천체가 가시광선과는 다른 모습을 하고 있는 것으로 조사되었습니다. 이렇게 전파 관측이 전체 관측의 한 분야로 정착하게 되었습니다.