GPS 길잡이 등대는 퀘이서(quasar)

왜 퀘이서가 ‘네비게이션 등대’가 되었나?

​승용차의 네비게이션만 아니라 개인마다 들고 다니는 스마트폰 네비게이션의 기본적인 위치 정보는 어디서 무엇이 보내주는가? 알고 있듯이 GPS위성 또는 네비게이션 위성이라 불리는 우주공간을 도는 통신위성들로부터 기본 정보가 오고 있다.

​지구는 우주의 패러다이스 – 9

인간이 가장 살기 좋은 행성이 지구이다. 그러나 사람들은 지구에 대한 고마움이나 지구의 상황을 잘 모르고 산다. 생명의 파라다이스인 지구를 소개하는 시리즈–9이다.

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스마트폰 위에 나타나는 GPS 위치정보는 GPS위성으로부터 받은 위치정보를 지상기지에서 컴퓨터로 처리하여 보내오는 것이다.

​GPS(global positioning system)의 우리말은 ‘전 지구 위치 파악 시스템’ 또는 ‘위성항법 시스템’이다. GPS는 지상 바다 하늘의 모든 개인, 교통기관, 전쟁터의 탱크, 미사일의 탄두, 우주를 운행하는 인공위성에 이르기까지 없어서는 안 되는 길잡이 시스템이다.

지금의 인류는 GPS(네비게이션 시스템)가 없으면 당장 문명생활이 불가능해진다. 육지에서만 아니라 우주공간 어디에서도 GPS를 활용하지 못하면 자신의 위치는 물론 가야 할 행로에 혼돈이 온다.

옷을 만든 천의 실은 씨줄(가로줄)과 날줄(세로줄)로 엮여 있다. 이처럼 지도 위에는 씨줄(위도 latitude)과 날줄(경도 longitude)이 그려져 있다. 위도는 적도를 0°로 하고 북극점은 북위 90°, 남극은 남위 90°로 정하여 그려지고, 경도는 영국 그린위치 천문대를 0°로 기준하여 지구 둘레를 360°로 나누고 있다. 지구상의 모든 지점의 위치는 정밀한 씨줄과 날줄로 표시할 수 있다.​

국토교통부 산하 국토지리정보원에서는 지도작성에 필요한 측량기준점을 정하여 땅에 표지를 고정해 둔다. 기준점의 종류에는 통합기준점, 삼각점, 수준점, 중력점, 지자기점 등이 있다. 이런 기준점은 GPS로 확정된다. 지진 현상 등으로 이런 기준점의 위치가 조금이라도 틀어진다면, 다시 측량하여 재설치해야 할 것이다.

GPS가 스마트폰과 자율운전 자동차와 군사용 무기에 이용될 정도로 발전하면서 위치에 대한 정확한 측정은 m단위에서 cm단위, 드디어는 mm단위 이하까지 내려오고 있다. 그러면 지구상에서 위치를 정하는 기준점은 어디인가? 하늘의 태양인가 아니면 옛날처럼 북극성인가?

GPS위성으로부터 오는 위치정보가 전달되는 과정을 보여준다.

​GPS장치(네비게이터)의 위치정보는 1차로 지구 주변을 돌고 있는 GPS위성들로부터 받는다. GPS위성의 수는 수천 개인데, 그 많은 GPS위성들이 보내주는 위치정보의 기준점을 어디에 두고 있을까? 그들의 위치정보는 언제나 동일하고 정밀할까? 만일 위성마다 오차가 있고, 보낼 때마다 차이가 있다면 교통기관은 물론 드론, 미사일, 우주탐사선 모두가 정확하게 목표를 찾아가지 못하게 될 것이다.

지구상의 모든 GPS수신기(네비게이터)로 위치정보를 보내는 GPS위성의 하나이다. 이 위성들은 퀘이서라 불리는 천체들을 기준점(우주의 신호등)으로 하여 위치정보를 전달한다.

​위치정보의 기준점은 어떤 별일까? 북극성일까? 우리 은하 속의 별도 위치가 변하고 있다. 예를 들면 태양은 우리 은하계 속을 맴돌고 있으므로 동일한 위치에 항상 있지 못한다. 기준점이 되는 우주의 신호등은 가능한 멀리 있어야 하고, 그 빛을 관측할 수 있는 천체여야 한다. 우주의 신호등이 될 수 있는그런 천체가 바로 퀘이서(quasar)이다.

​태양보다 수십억 배 밝은 천체

천문학자들은 1950년대 이후 우주 전체에서 퀘이서라는 천체를 지금까지 1,000,000개 이상 발견했으며, 비슷한 천체도 수백만 개 확인하고 있다. 지구에서 가장 가까이 있는 퀘이서 Markarian 231은 6억 광년 거리에 있다. 이 퀘이서가 방사하는 빛의 에너지는 태양 7억 개 에너지에 해당한다. 그리고 2020년에 새로 발견된 다른 퀘이서는 7억 광년 거리에 있으며, 태양 15억 개에 해당하는 빛에너지를 방사한다.

퀘이서는 우주 전체에 산재하는 은하들 속에 있으며, 이것이 방사하는 에너지는 2,000-4,000억 개의 별로 이루어진 우리 은하 전체 별의 에너지를 합친 것보다 1,000배 이상 강력하다. 은하 속에는 주변의 모든 물질과 에너지를 흡수하는 블랙홀이라는 천체가 존재한다. 퀘이서는 블랙홀과 다른 성질을 가진 천체이면서, 이웃에 있는 블랙홀의 영향으로 주변의 가스들을 끌어당기는 강력한 중력을 가졌다. 퀘이서의 중력에 의해 흡수된 막대한 양의 가스들은 결국 압축되어 수백만℃의 열에너지를 발생하게 된다. 영상은 퀘이서에 흡수된 가스들이 압축되어 강력한 빛을 방사하게 되는 모습을 표현한다.

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미국의 민간우주기업 인튜이티브 머신스사가 2024년 2월, 달에 내린 로봇 달탐사선 오디세우스(Odysseus)는 바로 서지 못하고 넘어진 상태로 착륙하여 계획한 정상 활동에 지장이 생겼다. 이런 달착륙 로봇 역시 GPS 정보를 이용하여 비행하고 계획된 지점에 내린다. 사진에 오디세우스가 착륙한 모습이 작은 점으로 보인다.​

성좌도에 나타낸 별들의 위치는 항상 고정되어 있다. 성좌도보다 더 정밀하게 제작된 퀘이서 지도에 표시된 퀘이서들은 성좌도의 별보다 훨씬 먼 수십억 광년 거리에 있기 때문에 그 위치는 더욱 고정된다.​

강력한 에너지를 방사하는 퀘이서는 수십억 광년 먼 거리에 있다. 거리가 먼 천체일수록 그들의 위치는 고정되어 있다. 어떤 퀘이서는 거리가 너무 멀어 그 빛을 관측하기 어렵지만, 과학자들은 1995년 이전 4년 동안에 600개의 퀘이서에 대한 위치를 측정하여 ‘기본 위치 정보’로 택했다. 이후 ICRF2라 불리는 추가 계획으로 모두 3,000개의 퀘이서에 대한 지도를 작성했다.​

유럽우주기구의 과학자들은 SatelliteGaia라는 계획으로 현재 50만 개의 퀘이서 위치를 나타내는 퀘이서 지도를 작성하고 있다. 오늘날의 GPS 정보는 바로 이들 퀘이서들을 기준점으로 하여 달, 화성, 토성만 아니라 주머니 속의 휴대폰에까지 오고 있다. – YS