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- 2007년 발견 이후 빠른 전파 폭발은 천문학의 가장 큰 미스터리 중 하나
- 이 신호에 대한 탐색 시작 전 2007년에 "Science" 저널에 특별한 발견 발표돼
- 현재 FRB 분야에서는 많은 일이 일어나고 있으며 거의 ​​매달 새로운 발견

우주 전파 폭발의 미스터리
빠른 라디오 폭발 뒤에는 무엇이 있을까?

전파 폭발은 단지 몇 밀리 초 동안만 지속되지만 우리 태양이 하루 종일 배출하는 만큼의 에너지를 방출한다. 즉, 우주 무선 전파가 터진 것이다. 2007년 발견 이후 빠른 전파 폭발은 천문학의 가장 큰 미스터리 중 하나였으며 새로운 관측이 나올 때마다 더 많은 의문이 제기되었다. 이러한 극단적인 무선 폭발의 원인은 무엇일까? 그것들은 어떻게 만들어지나? 그리고 왜 그렇게 다른가? 

▲ 길이는 몇 밀리초에 불과하지만 에너지가 매우 높다. 빠른 전파 폭발은 천문학자를 당황하게 한다. © HG: rea1444/Getty 이미지

모든 것은 호주의 Parkes 전파 망원경에서 우연히 발견되면서 시작됐다. 천문학자들은 그것이 정말로 우주 현상인지 의심스러울 정도로 매우 특별했다. 그 이후로 그들은 이러한 초단거리, 극도로 높은 에너지의 무선 펄스를 600개 이상 감지하고 그것이 우주에서 유래했음을 입증했다. 유일한 문제는 이러한 빠른 무선 폭발이 어디서 어떻게 발생하는지가 오늘날에도 여전히 논란의 여지가 있다는 점이다. 최근 한 전파 천문학자는 이렇게 말했다. “현재 FRB 분야에서는 많은 일이 일어나고 있으며 거의 ​​매달 새로운 발견이 이루어지고 있다.”

▲ 파크스(Parkes) 전파 망원경은 1969년 7월 아폴로 11호에서 텔레비전 이미지를 수신하여 최초의 달 착륙에서 중요한 역할을 했다. © CSIRO /CC-by 3.0

첫 번째 신호
"The Dish"와 최초의 FRB(Fast Radioburst)

때는 2001년 8월 25일, 호주 남동부의 현지 시각으로 오전 6시쯤이었다. 인간과 대부분 탐지기가 알아채지 못하는 동안, 불과 몇 밀리 초 동안 지속되지만 극도로 강력한 전파 펄스가 대기를 통과해 남반구에서 가장 큰 전파 안테나 중 하나인 파크스 전파 망원경의 64m 접시에 도달했다. 모든 무선 신호와 마찬가지로 이 초단 펄스는 나중에 천문학자가 조사할 수 있도록 자기 테이프에 자동으로 저장된다.

펄서 탐색 중 우연히 발견

하지만 보관된 라디오 폭발이 발견되기까지는 순전히 우연의 일치로 5년 이상이 걸렸다. 전파 천문학자 던컨 로리머(Duncan Lorimer)와 그의 박사 과정 학생 중 한 명은 파크스 기록 보관소에서 이상한 신호를 발견했을 때 실제로 전파 펄서를 찾고 있었다. 이 펄스는 전파 펄서에서 나오는 것이 아니므로 그 정도는 금방 알 수 있다. 

▲ 무선 잡음에서 거의 수직에 가까운 어두운 선은 Duncan Lorimer가 발견한 무선 펄스다. © Psr1909/CC-by-sa 4.0

Lorimer는 동료에게 조언을 구했다. “나는 Parkes 망원경의 다른 프로젝트에서 Lorimer와 함께 연구를 하고 있었고 이 전파원을 진단하는 데 참여했다.”라고 Swinburne University of Technology의 Matthew Bailes는 회상했다. "우리는 무선 펄스 데이터를 추출하여 펄스 에너지를 시간과 주파수의 함수로 보여주는 소위 폭포형 다이어그램으로 제시했다."
펄서보다 수조 배 더 강력

이는 놀라운 사실을 보여준다. FRB 010724라고 불리는 무선 펄스가 너무 강해서 망원경의 수신기를 과포화시켰다. “약 30Jy (Jansky,잰스키:전파 천문학에서의 전자 파속(電磁波束) 밀도의 단위)의 자속 밀도로 이는 조사를 위해 설정된 임계값보다 100배 이상 높았다. Bailes는 “우리 수신기가 여러 채널에서 강한 신호를 감지하는 기능이 없었다면 이 펄스는 결코 발견되지 않았을 것이다”고 말했다.

▲ The Parkes 64m Radio Telescope (https://en.wikipedia.org/wiki/Parkes_Observatory)

다이어그램은 다른 것을 보여주었다. 강력하지만 짧은 라디오 섬광은 처음에는 높았다가 점차 낮아지는 주파수의 특징적인 경로를 보여준다. 이러한 신호는 우주 전파가 성간 매체를 통과할 때 발생한다. “이온화된 가스는 파동의 속도를 늦춘다. 얼마나 강한지는 무선 주파수와 성간 물질의 전자 밀도에 따라 달라진다”고 Bailes는 설명했다. 무선 신호의 "윙윙거리는 소리"를 사용하면 해당 신호가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 대략적으로 알 수 있다.

FRB 0101724의 경우 전파 천문학자들은 최소 10억 광년에 달하는 엄청난 거리를 계산했다. Bailes는 “이러한 거리에서 관측된 강도를 얻으려면 이 전파 펄스의 소스가 알려진 전파 펄서보다 1조 배 더 밝아야 한다”며 “그러므로 이 신호는 먼 우주에서 온 믿을 수 없을 정도로 밝은 무선 섬광이거나 새로운 형태의 지상 무선 간섭임에 틀림없다”고 보고했다.

단지 "페리톤(Peryton)"인가?

그런데 둘 중 어느 것이 사실일까요? "로리머 펄스"는 인간의 기술에서 비롯된 간섭 신호일까? 결국, 전파 천문학자들이 속은 것이 처음은 아닐 것이다. 1998년에 파크스 전파 망원경은 우주의 특징으로 추정되는 강력한 전파 펄스를 수신했는데, 그 출처는 확인할 수 없었다. 당시 천문학자들은 이 신호의 이름을 신화 속 생물인 반은 새이고 반은 사슴의 이름을 따서 '페리톤(Peryton)'이라고 명명했다.

▲ 혹시 우주 전파 섬광은 여기 그림에 있는 페리톤과 같은 지상의 간섭 신호일까? © Psr1909/CC-by-sa 4.0

페리톤의 출처가 발견된 것은 2015년이었다. 페리톤은 우주에서 온 것이 아니라 약 100m 떨어진 건물의 전자레인지에서 나온 것이었다. 작동 중에 장치가 열릴 때마다 전자레인지는 자동으로 꺼지지만 몇 밀리초의 지연이 발생한다. 이번에는 우주적 특성을 지닌 강력한 전파 펄스를 생성하기에 충분한 시간이다. “이러한 페리톤 중 일부는 로리머 신호와 유사한 주파수 분포를 가졌다. 이는 우리의 의심을 더욱 강화시켰다. 이 무선 펄스는 아마도 전파 방해 신호와 비슷한 형태였을까?”라고 Bailes는 회상했다.

그들은 여전히 ​​우주의 기원을 믿고 있기 때문에 천문학자들은 더 많은 그러한 신호에 대한 탐색을 시작하기 위해 2007년에 "Science" 저널에 그들의 특별한 발견을 발표했다. Parkes 망원경의 Lorimer, Bailes 및 동료들은 기록 보관소를 다시 살펴보고 망원경을 사용하여 그러한 신호를 구체적으로 검색하지만 처음에는 헛된 일이었다. 몇년 지나서야 바뀌었는데... (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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