달 뒷면에 첫 전파망원경…지구 소음 피해 ‘우주 암흑기’ 정조준

지구에서 쏟아지는 전파 소음을 피해, 인류 최초의 달 전파망원경이 우주 초기의 흔적을 좇는다.

미국 브루크헤이븐 국립연구소를 비롯해 NASA, UC버클리, 로런스 버클리 연구소가 공동 개발한 ‘루시-나이트(LuSEE-Night)’는 민간 우주기업 파이어플라이 에어로스페이스의 착륙선 ‘블루 고스트 2’에 실려 올해 말 또는 내년 초, 달의 뒷면에 착륙할 예정이다.

임무 목적은 빅뱅 이후 우주배경복사(CMB)가 형성된 뒤, 별과 은하가 등장하기 전 약 3억 8천만 년 동안 지속된 ‘우주 암흑기(Cosmic Dark Ages)’의 신호를 포착하는 것이다.

달 뒷면, 전파 천문학의 마지막 피난처

전파천문학은 우주를 탐색하는 핵심 도구로 자리 잡아 왔다. 눈에 보이지 않는 전자기파를 통해 펄사, 퀘이사, 초대질량 블랙홀, 우주배경복사 등 수많은 천체와 현상을 규명해왔다.

하지만 지구는 각종 인공 전파와 자연 전자기 간섭이 얽혀 있는 복잡한 환경이다. 라디오와 텔레비전 방송, 위성 신호, 이동통신, 자동차 점화장치, 번개, 전자제품 등 다양한 전파원이 섞여 있어 미세한 우주 신호를 구분하기 어렵다. 일부 관측소는 외딴 지역이나 전파 보호구역에 설치돼 있지만, 우주 초기의 극히 약한 전파를 검출하기엔 여전히 부족하다. 루시-나이트가 착륙할 달의 반대편은 지구 전파가 도달하지 않는 유일한 천체 표면으로, 달 자체가 거대한 차폐막이 되어 전파 간섭을 자연스럽게 막아준다.

이처럼 완벽에 가까운 전파 무음 환경은 지금껏 지구에서는 구현할 수 없었던, 극저주파 대역(0.1~50MHz) 관측을 가능케 한다. 특히 중성수소 원자가 방출한 21cm 전파선은 우주 암흑기를 들여다볼 수 있는 열쇠로 여겨지며, 이 신호는 우주 팽창으로 인해 적색편이된 형태로 루시-나이트의 탐지 범위에 들어온다. 이 프로젝트는 인류가 처음으로 이 대역의 우주 신호를 지구 외부에서 정밀하게 포착하려는 시도다.

혹독한 달 환경을 견디는 기술 실증 실험

루시-나이트는 가로세로 1m, 높이 0.7m 크기의 소형 장비로, 3m 길이의 안테나 4개를 직각 방향으로 배치해 약 6m 길이의 2축 수신 배열을 형성한다. 안테나는 회전이 가능해 하늘의 특정 영역을 향할 수 있고, 궤도 위성에서 송출되는 기준 신호를 활용해 수신 성능을 정밀하게 보정한다. 내부에는 50MHz 대역 수신기와 스펙트럼 분석기가 탑재돼 있으며, 장비 전체는 자율 운용되도록 설계됐다. 달의 극단적인 환경도 도전 과제다.

낮에는 태양열이 극심하고, 밤에는 기온이 영하 173도까지 떨어진다. 이를 견디기 위해 루시-나이트는 태양열 반사 차폐막과 40kg 규모의 리튬이온 배터리를 장착해, 약 14일간 지속되는 달 밤 동안 히터를 작동시켜 내부 시스템을 보호한다. 전체 임무는 최대 18개월을 목표로 하며, 지구와의 통신은 중계 위성을 통해 이뤄질 예정이다. 이번 임무는 본격적인 과학 관측 이전에, 달 뒷면에서 전파망원경이 원격으로 안정적으로 작동하고 의미 있는 데이터를 송신할 수 있는지를 검증하는 데 초점이 맞춰져 있다.

성공할 경우, 연구자들은 달의 대형 분화구를 활용한 초대형 전파망원경 설치 계획도 구체화할 수 있다. 이는 한때 세계 최대였던 아레시보 천문대를 넘어서는, 차세대 심우주 관측 인프라로 확장될 수 있다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr

자료: Brookhaven National Laboratory