당사는 세계 최대 단일 접시형 전파망원경 FAST 프로젝트의 연구 개발에 참여하고 있습니다
베이징의 한 연구 기관으로부터 위탁받은 FCTEL은 세계 최대 단일 접시형 전파망원경 FAST 프로젝트에 참여하여, 다회전 절대형 엔코더와 회전형 엔코더 등 다양한 센서의 전기 신호를 전자파 차폐실로 전송하기 위한 고속 광전송 변환 장치를 개발했습니다. 이를 통해 센서의 전기 신호가 전자파 차폐실에 들어가기 전 필터링 과정에서 왜곡되는 오랜 문제를 해결하고, 기존 광전송 솔루션에서 광전 변환 후 고속 전기 신호 측의 클록 지연이 일치하지 않는 문제에도 대응했습니다.
FCTEL은 광전송 분야에서 다년간 축적한 연구 개발 역량을 바탕으로 중국의 세계 선도적 기술 프로젝트에 작은 힘이나마 보탤 수 있어 기쁘게 생각합니다.
세계 최대 단일 접시형 전파망원경 'FAST'의 비밀을 풀다(미스터리 지구 도해)
(미스터리 지구 보도) 남방도시보에 따르면, '경고한다. 응답하지 마라! 응답하지 마라! 응답하지 마라! 너희가 있는 방향에는 수천만 개의 별이 있다. 응답하면 발신지가 특정되고, 너희 행성계는 침략당하며, 너희 세계는 점령당할 것이다! 응답하지 마라! 응답하지 마라! 응답하지 마라!' 이는 공상과학 소설 《삼체》에서 여주인공이 근무하는 '홍안 기지'가 외계 문명으로부터 우연히 수신한 전파입니다.
실제로 우주 전파를 수신하는 현실판 '홍안 기지'가 구이저우성 핑탕현 커두진 진커촌의 '다워당' 분지에 건설되고 있습니다. 세계 최대 단일 접시형 전파망원경인 '톈옌(하늘의 눈)' FAST 건설 프로젝트는 현재 마무리 단계에 들어섰습니다. 완공되면 지름 500미터의 이 구면 전파망원경은 축구장 30개에 해당하는 수신 면적을 갖추게 됩니다.
2015년 12월 26일, FAST 총괄 엔지니어 보좌관이자 반사면 시스템 부총괄 엔지니어인 장펑은 베이징 천문관에서 열린 제2015회 대중 과학 강연에서 '톈옌'의 건설 과정과 그 과정에서 극복한 관련 기술적 난제를 소개했습니다. 보도에 따르면, 20세기 인류의 10대 프로젝트로 선정된 미국 아레시보 망원경과 비교해 '톈옌'의 종합 성능은 약 10배 뛰어나며, 전체 프로젝트는 2016년 9월까지 완공될 예정입니다.
300곳이 넘는 함몰지를 찾아본 끝에 구이저우의 '다워당'에 자리 잡다
많은 사람이 의문을 가질 수 있습니다. 왜 '톈옌'은 지질 구조가 복잡한 구이저우성에 자리 잡았을까요? 장펑에 따르면 과학자들은 '톈옌'에 적합한 '눈확'을 찾는 데 10년 넘게 걸렸습니다. 1993년 국제전파과학연합 회의에서 중국을 포함한 10개국의 천문학자들은 차세대 '거대 전파망원경' 건설을 제안했습니다. 이는 원시 우주를 거슬러 탐구하고 천문학의 여러 난제에 답하기 위한 것이었습니다.
1995년 말, 거대 전파망원경 중국 추진위원회는 구이저우의 카르스트 함몰지를 활용해 구면 반사면을 건설하는 '카르스트 프로젝트' 구상을 제안했습니다. 거듭된 검토 끝에 핑탕현 커두진의 '다워당'을 찾아냈습니다. 거대한 '하늘의 눈'에 가장 적합한 깊은 '눈확'이었습니다. 2007년에 프로젝트가 정식 승인되고 부지가 확정되었습니다. 2011년 3월에는 구이저우에서 FAST 프로젝트 건설이 시작되었습니다.
부지 선정에 이처럼 오랜 시간이 걸린 이유는 프로젝트팀이 공사의 굴착량을 최소화할 방법을 끊임없이 검토했기 때문입니다. 엔지니어들은 위성 탐색을 통해 전국에서 300곳이 넘는 함몰지를 찾아냈습니다. 여러 차례의 선별 끝에 구이저우 남동부의 '다워당' 함몰지가 크고 둥글어 FAST의 형상에 가장 잘 맞는다는 사실을 확인했습니다. 또한 이 함몰지 주변은 인구가 적고 조용해 FAST에 대한 전자파 간섭을 줄이는 데 유리합니다. 이러한 요소를 모두 고려한 결과, 2007년에 '눈확'의 위치가 최종적으로 '다워당'으로 결정되었습니다.
복잡한 지형에 지름 500미터의 '거대한 솥'을 만들다
일반적인 포물면 위성 안테나의 작동 원리와 마찬가지로, FA ST는 신호를 반사하는 포물면과 신호를 수신하는 급전부라는 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 흔히 '접시'라고 부르는 포물면은 반사된 신호를 한 점에 모읍니다. 이 포물면의 모양은 거대한 '접시'와 같습니다. 유일한 차이는 그 안에 담기는 것이 '우주에서 온 방문객'이 보내는 신호라는 점입니다.
이번 건설 현장은 험준한 산악 지대에 있습니다. 이처럼 복잡한 지형에 지름 500미터의 '거대한 솥'을 어떻게 만들 것인지는 전문가들에게 큰 난제였습니다. 여러 팀이 의견과 방안을 제시했으며, 하부에 촘촘한 강성 지지대를 배치하는 분리형 기술을 사용하자는 제안도 있었습니다. 그러나 최종적으로는 '케이블망' 방안이 채택되었습니다.
'장력 케이블망' 설계에 따라 FAST는 작동 중 천체의 회전 운동을 따라가며 전파원을 추적하고 스캔할 수 있습니다. 과학자들은 먼저 강철 케이블 6개를 제어하여 지상 140-180미터 높이에 있는 지름 207미터의 구면 캡 표면을 따라 급전실을 이동시킵니다. 그런 다음 액추에이터 2,225개가 케이블망을 당겨 망 위의 반사 패널 4,450개를 조정함으로써 FAST의 초점을 맞춥니다. 이런 방식으로 FAST는 사람의 눈처럼 자유롭게 방향을 바꿀 수 있습니다. 반사 패널은 전파 신호를 받으면 우주에서 온 신호를 급전실로 모읍니다.
반사 패널 조립은 전적으로 시공팀의 고소 작업에 의존합니다.
지난해 2월 4일, FAST 케이블망의 제작과 설치가 완료되었습니다. 지금 공사 현장을 방문할 기회가 있다면 강철 케이블 6,000개 이상으로 엮은 거대한 '어망'을 볼 수 있습니다. 그러나 장펑은 이 거대한 망이 장관을 이루지만, 이를 엮는 작업은 결코 쉽지 않았다고 말했습니다.
전체 케이블망에는 총 2,225개의 절점이 있으며, 케이블망의 설치 경간은 매우 큰 것으로 알려져 있습니다. 시공팀은 고소 작업 방식으로 각 케이블망과 반사 패널을 들어 올리고, 위치를 정밀하게 측정한 뒤 조립을 완료합니다. 표면 형상 제어 오차는 RMS 5mm 이내여야 합니다. 정확도를 확보하기 위해 전문가들은 인장 케이블 제작용 항온실을 별도로 마련했습니다.
더 큰 문제는 온도 변화로 인한 강철 기둥의 변형입니다. 온도 차가 50°C이면 300밀리미터의 변화가 발생합니다. 장펑은 기복이 있는 지형에 맞추기 위해 반사면 구조를 지지하는 강철 기둥의 높이가 서로 다르다고 설명했습니다. 불균일한 변형을 방지하기 위해 환형 보와 강철 기둥의 연결부에 슬라이딩 베어링을 추가했습니다. 이를 통해 지지용 환형 보가 지지 기둥 위에서 자유롭게 팽창하고 수축하면서 더욱 균일하게 변형될 수 있습니다.
이는 변형에 대비한 완충 여유를 두는 것과 같으며, 최대 변형 거리는 0.47미터에 이릅니다. 이런 방식으로 '시신경'이 연결된 '톈옌'은 초점을 유연하게 조정할 수 있습니다. 주목할 점은 자중과 풍하중으로 인한 변형 때문에 기존의 전방향 가동식 망원경은 일반적으로 최대 구경이 100미터에 불과하다는 것입니다. 케이블망 구조를 채택한 구경 500미터의 '톈옌'은 100미터의 한계를 가뿐히 넘어섭니다. 이는 거대 전파망원경 건설의 새로운 모델을 개척할 뿐 아니라, 가동되면 세계 최대 규모인 미국 아레시보 천문대의 3.25배에 달하는 감도를 갖추게 됩니다.
'톈옌'은 완공 후 외계 지적 생명체를 탐색할 예정입니다.
구상 단계부터 현재까지, 완공을 앞둔 '톈옌' 프로젝트에는 20년이 넘는 시간이 걸렸습니다. 가동 후에는 어떤 분야에서 역량을 발휘하게 될까요? 중국과학원 국가천문대 전파천문학 부문의 수석 과학자 리디는 언론 인터뷰에서 '톈옌'의 주된 활동 무대는 여전히 천문학이라고 밝혔습니다. 예를 들어 우주의 먼 곳에서 오는 신호와 물질을 탐지하고, 우주의 기원부터 성간 물질의 구조까지 다양한 주제를 탐구하며, 희미한 펄서와 그 밖의 약한 전파원을 찾고, 외계 지적 생명체 탐색을 효율적으로 수행하는 것입니다.
FAST 프로젝트 상무 부책임자이자 국가천문대 부대장인 정샤오녠은 언론 인터뷰에서 완공된 '톈옌'이 우주의 중성 수소를 조사하고, 성간 분자를 탐지하며, 펄서를 관측하고, 성간 통신 신호를 탐색할 수 있게 될 것이라고 말했습니다. 이 예리한 거대한 눈의 도움으로 인류는 외계 문명 탐색에서 또 한 걸음 앞으로 나아가게 되었습니다.
지난해 12월 초, 프랑스 툴루즈의 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 천체물리학·행성과학연구소 소속 천체물리학자 피에리크 마르탱은 NASA의 페르미 감마선 우주망원경을 이용해 지구에서 163,000광년 떨어진 다른 은하에서 최초의 감마선 펄서를 발견했습니다. 이는 알려진 감마선 펄서 중 가장 밝은 천체라는 신기록을 세웠습니다.
외부 은하의 펄서를 탐지하는 것은 FAST의 설립 목표 중 하나입니다. 중국과학원 국가천문대의 계산에 따르면, '톈옌' 케이블망의 변형 횟수는 대략 100만 회를 넘으며 사용 수명은 30년입니다. 리디는 FAST의 향후 성능에 강한 자신감을 보이며 '완공 후 FAST는 앞으로 20년 동안 세계적 수준의 위상을 유지할 것'이라고 말했습니다.
높이 100미터의 지지탑 6개
강철 케이블 6개를 제어하여 지상 140–180미터 높이에 있는 지름 207미터의 구면 캡 위에서 급전실을 이동시킵니다.
급전실의 무게는 약 30톤입니다(별 모양 프레임, 스튜어트 플랫폼, 급전실 덮개 및 기타 장비 포함).
액추에이터 2,225개로 케이블망을 당겨 망 위의 반사 패널 4,450개를 움직임으로써 '톈옌'의 초점을 맞춥니다.
'톈옌'이 바람과 비, 낙뢰에 대비하는 방법
'톈옌은 구이저우의 거대한 함몰지인 톈컹에 건설되었습니다. 이처럼 거대한 구조물은 바람과 비, 낙뢰를 어떻게 피할까요?'
과학자들은 부지 선정 때부터 강우 요인을 고려했습니다. 장펑은 '눈확'의 위치를 구이저우로 정한 이유가 단지 지형의 모양이 요구 조건에 맞아서만은 아니라고 밝혔습니다. 더 복잡한 과정은 그다음에 이어집니다. 현장 탐사 단계에서 프로젝트팀은 저지대에 대한 심층적인 지질 평가를 수행해야 합니다.
'함몰지 전체에 적어도 600개의 구멍이 있어 사실상 거대한 체와 같습니다.' 카르스트 지형 특유의 발달한 지하 하천망과 수많은 동굴은 뜻밖의 이점을 가져왔습니다. '톈옌'에 자연 배수 기능을 제공한 것입니다. 비가 내리면 물이 빠르게 지하로 스며들어 망원경 부지에 물이 고이거나 전자 장비가 손상되는 것을 방지합니다.
지난해 12월 기준으로 반사 패널 설치가 절반 이상 완료되면서 '톈옌'의 윤곽이 드러나기 시작했습니다. 거대한 골짜기는 강철 케이블로 엮은 반구형 '망'으로 채워졌고, 그중 약 절반은 은빛 반사 패널로 덮여 있었습니다. 사방의 푸른 산을 배경으로 눈부신 거울처럼 보였습니다.
장펑은 가까이서 살펴보면 매끄러워 보이는 알루미늄 합금 능동 반사 패널에 실제로는 무수한 구멍이 나 있음을 알 수 있다고 설명했습니다. 촘촘하게 뚫린 이 작은 구멍들은 풍하중을 줄여, 초속 4-5미터를 넘는 바람이 '톈옌'의 탐지 작업에 미치는 영향을 완화하도록 설계되었습니다.
동시에 이 구멍들은 빛의 투과율을 높여 안테나 표면의 식물이 자라도록 하고 토양 침식을 방지할 수도 있습니다. 장펑은 '토양과 수자원 보전은 매우 중요합니다. 그렇지 않으면 토양 침식이 심해졌을 때 비가 오면 저지대가 진흙 웅덩이로 변하게 됩니다'라고 말했습니다. 그는 녹화가 이롭기는 하지만, 무성한 덩굴이 반사 패널 위로 기어오르면 탐지 작업을 방해할 수도 있다고 지적했습니다. 현재 프로젝트팀은 작업자들과 함께 지나치게 자란 잡초를 정기적으로 제거하고 있습니다.
이 밖에도 구이저우 현지의 가혹한 기후 조건은 많은 사람의 우려를 낳고 있습니다. '톈옌'은 극심한 비와 눈, 우박, 뇌우를 견딜 수 있을까요? 이에 대해 장펑은 '톈옌'이 그에 맞는 대비를 했다고 밝혔습니다. 예를 들어 낙뢰를 방지하기 위해 모든 금속 장비를 하나로 연결해 접지하여 낙뢰 전류가 신속하게 흘러 나가도록 했습니다. '또한 경험상 극한 기상은 1년 중 매우 적은 비중을 차지하므로(보통 10일 정도), 영향은 그리 크지 않을 것입니다.'
전파망원경의 과거와 현재
천체망원경은 구경이 작은 것에서 큰 것으로, 짧은 것에서 긴 것으로 발전해 왔습니다. 현재 천체망원경의 발전은 주로 두 가지 방향에 집중되어 있습니다. 하나는 '우주로 나아가는 것'이고, 다른 하나는 '지상을 차지하는 것'입니다. 지구 대기의 영향으로 짧은 파장의 자외선과 X선은 대부분 관측할 수 없으므로 우주 기술을 이용해 망원경을 우주 공간으로 보내야 합니다. 케플러 망원경과 허블 우주망원경이 그 예입니다. '지상을 차지한다'는 것은 지상 망원경을 가리키며, 중국이 현재 건설 중인 전파망원경 FAST가 여기에 해당합니다.
천체망원경의 일종인 전파망원경의 발전 역시 인류의 우주 탐구가 진전되어 온 과정을 보여 줍니다. 1873년에 맥스웰의 저서 《전기와 자기에 관한 논고》가 출간되어 전자기장 이론을 체계적이고 종합적으로 설명하고 나서야 사람들은 깨달았습니다. 빛 역시 전자기파의 일종이며, 광대한 전자기파 스펙트럼에서 가시광선이 차지하는 부분은 극히 작다는 사실입니다.
20세기에 들어 과학자들은 지구 전리층의 높이를 측정하던 중, 파장이 60미터보다 짧은 전자기파는 전리층을 통과할 때 거의 모두 되돌아오지 않는다는 사실을 발견했습니다. 이 현상은 연구자들의 상상력을 자극했습니다. 파장이 60미터보다 짧은 전자기파가 지구에서 아무런 방해 없이 우주로 나아갈 수 있다면, 반대로 우주에서 오는 같은 종류의 전자기파도 대기를 뚫고 지구에 도달할 수 있지 않을까 하는 생각이었습니다.
이렇게 인류의 우주 전파 관측 시대가 막을 올렸습니다. 1931년, 미국 벨 연구소는 안테나 배열을 이용해 우리은하 중심에서 오는 전파를 수신했습니다. 이때부터 전파천문학이 공식적으로 탄생했습니다. 이후 수십 년 동안 펄서, 퀘이사, 우주 마이크로파 배경 복사, 성간 유기 분자 등이 잇달아 '모습을 드러냈습니다'.
탄생 이후 80여 년 동안 전파망원경 자체도 빠르게 발전했습니다. 1955년, 영국은 맨체스터의 조드럴 뱅크 천문대에 지름 76미터의 가동식 로벨 전파망원경을 건설했습니다. 1972년에는 당시 세계 최대의 전방향 가동식 전파망원경인 독일의 본 망원경이 완공되었으며, 포물면 안테나의 지름은 100미터에 달했습니다.
1963년, 중미의 푸에르토리코섬에 아레시보 전파망원경이 완공되었습니다. 초기 지름은 305미터였으며, 이후 350미터로 확장되었습니다. 노후화된 아레시보는 여전히 지금까지 건설된 세계 최대의 단일 접시형 전파망원경입니다.
1974년, 아레시보 망원경은 성능 개선 완료를 기념하여 지구에서 25,000광년 떨어진 구상성단 M13를 향해 1,679개의 이진 숫자로 구성된 신호를 보냈습니다. 이 신호는 아레시보 메시지로 알려져 있습니다. 도안의 맨 아래에는 인류가 무선 신호를 수신하고 송신하는 방법을 보여 주는 '태양열 조리기' 모양의 아이콘도 있었습니다.
현재 중국에서 진행 중인 '톈옌' FAST 프로젝트 외에도, 정식 명칭이 '제곱킬로미터 배열 전파망원경'인 SKA 프로젝트가 2년 후 착공할 예정입니다. 베이징대학교 천문학과를 졸업하고 현재 호주 연방과학산업연구기구의 천문·우주과학연구소(CASS)에서 박사후 연구를 수행 중인 젊은 천문학자 다이스는 SKA 프로젝트의 일원입니다.
그에 따르면 SKA는 호주와 남아프리카공화국에 건설되는 수천 개의 소형 안테나로 구성되며, 2030년경 가동될 예정입니다. 인류 역사상 가장 큰 망원경이 될 것으로 기대됩니다.
