VLBI

왜 배우는가: 초장기선간섭계(VLBI)는 멀리 떨어진 관측점을 묶어 mm 수준의 위치 정밀도를 얻는 측지 기법이므로 기준점 체계의 원리를 설명할 때 반드시 다룬다. 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에 함께 출제되는 개념이므로 정의와 원리를 나란히 정리해야 한다.

출제 이력: 제131회 2교시 5번, 제128회 1교시 13번, 제108회 1교시 11번, 제98회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

초장기선간섭계(VLBI)는 떨어진 여러 전파망원경으로 같은 천체의 전파를 동시에 관측하여 관측점 사이 거리를 정밀하게 결정하는 방식이다.

이 문장은 답안지 첫 줄에 그대로 옮겨 쓸 수 있다. 핵심 키워드는 다음 여섯 가지이다.

• 전파간섭계 — 여러 전파망원경의 신호를 간섭시켜 하나의 큰 망원경과 같은 분해능을 얻는 관측 방식이다.
• 기선(baseline) — 두 전파망원경 사이의 거리이며, 기선이 길수록 분해능이 높아진다.
• 상관처리(correlation) — 각 관측소에서 따로 기록한 신호를 중앙 설비에서 수학적으로 결합하는 과정이다.
• 원자시계 — 관측소마다 신호에 정확한 시각 정보를 붙여 나중에 신호를 맞출 수 있게 하는 기준 장치이다.
• 퀘이사(quasar) — 전파를 강하게 방출하는 먼 천체이며, 전파 관측의 대표적 대상이다.
• 지구자전 매개변수(EOP) — 극운동, 세계시(UT1), 천구 자극 보정량 등 지구의 회전과 방향 변화를 나타내는 값이다.

2. 개념 풀이

초장기선간섭계는 전파간섭계의 한 종류로, 지구상에서 멀리 떨어진 전파망원경들이 같은 천체를 같은 시각에 관측한 신호를 이용하는 방식이다. 기선이 수천 km에 이르는 경우도 있으므로 망원경 사이를 전선이나 도파관으로 연결하지 않고도 간섭 관측이 가능하다. 각 관측소는 신호를 실시간으로 합치지 않고 정확한 시각 정보와 함께 저장한다.

저장된 자료는 상관처리 설비에 모여 두 관측소 신호의 도착 시간차를 계산하는 데 쓰인다. 이 시간차는 천체의 방향과 기선 벡터로 결정되므로, 여러 천체를 여러 기선에서 관측하면 기선 벡터와 지구 회전 정보를 함께 구할 수 있다. 기하학적 지연시간은 다음과 같이 쓴다.

$\tau_g = \frac{\mathbf{b}\cdot\mathbf{s}}{c}$

tau_g는 기하학적 지연시간(s), b는 기선 벡터(m), s는 천체 방향의 단위벡터, c는 빛의 속도(m/s)이다.

간섭계의 분해능은 관측 파장과 기선 길이로 정해진다. 관측 파장을 λ, 기선 길이를 D라 하면 분해각 θ는 대략 다음과 같다.

$\theta \approx \frac{\lambda}{D}$

θ는 분해각(rad), λ는 관측 파장(m), D는 기선 길이(m)이다. 분해능은 관측 파장에 비례하고 기선 길이에 반비례한다. 그러므로 기선을 길게 잡을수록 천체의 모습을 더 자세히 볼 수 있다.

기선 결정은 두 관측점 사이의 3차원 벡터를 구하는 작업이다. VLBI에서는 전파망원경의 상대 위치를 수 mm 정도로 정확하게 측정할 수 있다.

천문 분야에서는 전파 천체의 구조를 고분해능 영상으로 얻는 데 쓰인다. 측지 분야에서는 기선 벡터의 변화로부터 지구 자전의 변화, 대륙의 이동, 측지원점의 위치를 결정한다. 두 분야가 같은 기술을 쓰는 이유는 간섭 원리와 시각 기준이 공통이기 때문이다.

3. 등장 배경과 필요성

1960년대 초 전파천문학자들은 더 높은 공간분해능을 얻으려고 망원경 간격을 넓히고자 했다. 일반 전파간섭계는 망원경을 전선이나 도파관으로 직접 연결하므로 기선 길이가 연결 가능한 거리로 제한된다. 예를 들어 미국 VLA에서 가장 멀리 떨어진 망원경 사이 거리는 36.4 km에 그친다. 이 한계를 넘기 위해 1960년대 초 초장거리 전파간섭기술이 등장했다.

초장기선 방식의 핵심 변화는 신호를 연결하지 않고 기록하는 데 있다. 각 망원경의 신호는 원자시계의 시각과 함께 자기테이프나 하드디스크에 저장되고, 나중에 한곳에 모여 상관처리된다. 이 기록 후 상관처리 방식에 따라 망원경 사이 거리에 물리적 연결 제한이 없어지며, 대륙 간 거리나 우주 공간의 망원경까지 기선으로 쓸 수 있다.

측지 분야에서는 이 기술이 1970년대부터 사용되어 왔다. 지구 규모의 거리를 mm 수준에 가까운 정밀도로 측정하며, 국제지구기준좌표계(ITRF) 구축에 크게 기여한다. 또한 지구 자전 매개변수(EOP)를 구하는 주요 기법이다.

측지와 천문 분야의 관측 자료를 모으는 국제 협력체로 IVS가 있으며, 이는 국제천문연맹(IAU)과 국제측지협회(IAG) 산하의 서비스로 운영된다. 국내에서는 한국우주전파관측망(KVN)이 직경 21m 전파망원경 3기를 간섭계로 묶어 VLBI를 수행한다. 한국천문연구원이 2008년부터 운영하고 있으며 연세, 울산, 탐라 전파천문대로 구성된다.