SKAO – 제곱 킬로미터 배열 관측소: 우주의 전파 기록

슈퍼 망원경

Astronomy megaprojects that attract the most attention are generally telescopes in the visible spectrum or close to it, as they generate a lot of spectacular pictures. This is, for example, true for JWST (James Webb Space Telescope), 우리는 이전 메가프로젝트 기사에서 이를 자세히 분석했다.

하지만 별과 기타 우주 객체는 빛 형태의 신호만 방출하는 것은 아니다. 천문학의 또 다른 중요한 분야는 전자기 스펙트럼의 다른 구간인 전파 신호를 탐지하는 전파 망원경이다.

출처: SKAO

예전에는 현재는 폐쇄된 305미터 직경의 아레시보 관측소와 같은 초대형 안테나에 의존했으며, 이는 1990년대 영화인 제임스 본드의 골든아이 또는 컨택트에서 보았을 수도 있다.

출처: The Meliorist

다른 기술은 다수의 작은 안테나를 사용하고, 총 데이터를 디지털로 하나의 큰 이미지로 합치는 방법으로, 이를 간섭계 혹은 때때로 개구합성이라고도 한다.

이 방법에서는 안테나 간 간격이 클수록 최종 이미지의 해상도가 높아진다. 충분한 시간이 주어지면 매우 약한 소스에서도 고품질 이미지를 서서히 구축할 수 있다.

출처: NRAO

이것이 SKAO(제곱 킬로미터 배열 관측소)가 따르는 방법으로, 수신소가 최소 3,000km까지 확장되는 메가프로젝트이다. 가동될 경우, SKA-Mid와 SKA-Low는 지구상에서 가장 큰 전파 망원경 배열이 될 것이다.

이는 전파 스펙트럼에서 가장 상세한 정보를 제공함으로써 우주에 대한 우리의 이해를 혁신할 것이다.

전파 천문학

The first time that radio waves were detected from the sky was in 1933, by Karl Jansky at Bell Telephone Laboratories, detecting them from our Milky Way galaxy.

그 후 수년간의 추가 분석이 이어졌으며, 최종적으로 1974년 물리학 노벨상이 개구합성(간섭계) 개발로 마틴 라일 경과 펄서(빠르게 회전하는 중성자 별로, 매우 규칙적이고 강력한 전파 펄스를 방출) 발견으로 앤서니 휴위시에게 수여되었다.

출처: Nobel Prize

펄서와 같은 우주에서 가장 강력하고 폭력적인 천문 현상들, 예를 들어 초대질량 블랙홀 등은 전파 천문학을 통해서만 관측할 수 있다. 또한 전파 천문학은 가시광선에서는 보이지 않는 중성 수소도 탐지할 수 있다.

전파 천문학은 구름이나 악천후에 방해받지 않아 모든 기상 조건에서 작동할 수 있다는 장점이 있다. 또한 전파 신호는 우주 먼지에 의해 차단되지 않으므로 다른 종류의 망원경이 볼 수 없는 영역을 ‘볼’ 수 있다.

오늘날 전파 천문학의 대부분은 전파 간섭계를 이용해 수행되며, 특히 미국 뉴멕시코에 있는 27개 안테나 매우 큰 배열(VLA)와 칠레에 있는 66개 안테나 아타카마 대형 밀리미터/아주밀리미터 배열(ALMA)와 같은 시설이 있다(현재 세계 최대 전파 망원경 배열).

역사적으로 전파 천문학은 다음과 같은 많은 중요한 현대 기술들의 개발과 밀접하게 연관되어 왔다:

• WiFi의 발명.
• 자기 공명 영상(MRI);
• 우주 항법 및 GPS를 위한 기준 시스템;
• 지진 경보에 중요한 판 구조 이동의 고정밀 모니터링.
• 레이더, 통신 및 원격 탐사에 사용되는 저잡음 증폭기;

SKAO 역사

SKAO는 원래 간섭계를 통해 1제곱킬로미터(백만 제곱미터, 1천만 평방피트) 규모의 배열에 도달하려는 목표로 설계된 프로젝트이다.

이는 1980년대부터 그러한 대규모 배열이 빅뱅 후 1억 년 정도 된 시점에서 수소 구름을 연구하고, 빅뱅 후 10억 년에 최초 은하 형성을 연구하기 위해 필요하다는 것이 알려졌기 때문이다.

프로젝트의 핵심 회원국은 호주, 중국, 이탈리아, 네덜란드, 포르투갈, 남아프리카, 스위스, 영국이다. 다른 국가들은 가입 단계이거나 협력 협정을 체결했거나 관찰자이며, 주요 국가 중 미국이 부재한 것이 눈에 띈다.

출처: Wikipedia

2005년에 6개의 잠재적 설계가 짧게 선정되었으며, SKA 조직은 2011년에 공식적으로 설립되었다.

출처: SKAO

2015년에 대규모 과학 서적인 “제곱 킬로미터 배열과 함께하는 천체물리학 진전”가 출간되었다. 이 책은 31개 국적의 1,213명 기고자가 쓴 135개의 장을 포함한다.

2019년에 로마에서 SKAO 협약이 서명되었다, 이는 각 국가가 프로젝트에 기여하고 참여함을 공식화한다.

건설은 2021년에 승인될 예정이며, 2022년 말까지 약 5억 유로 규모의 계약이 체결되어 SKAO는 야심찬 건설 일정에 따라 진행 중이다.

초기 비용은 2014년에 18억 유로로 추정되었으며, 2021년에 필요한 예산은 30억 달러로 증가한 것으로 추정된다.

2025년에는 첫 번째 핵심 과학 계획(KSP)과 제안이 진행되어 전 세계 과학 팀이 제시한 프로젝트에 따라 망원경이 먼저 관측할 대상을 정확히 결정한다.

출처: SKAO

2027년부터 최초 관측이 이루어지고 전파 망원경이 가동되며, 모든 것이 계획대로 작동함을 검증하고 용량이 확대되는 첫 관측은 2029년에 완료될 것이다.

출처: SKAO

SKAO 설계

SKAO는 두 개의 다른 대륙(남아프리카의 SKA-Mid와 호주의 SKA-Low)에 두 개의 서로 다른 망원경으로 분산되며, 본부는 영국에 있다.

출처: SKAO

영국 위치는 전파 천문학 발전에 기여한 유네스코 세계문화유산인 조드렐 은행 부지이다.

출처: SKAO

남아프리카와 호주를 선택한 이유는 이 지역들(땅 면적과 인구가 적음)의 전파 간섭이 낮아 특히 외딴 사막 지역에서 은하를 잘 관측할 수 있기 때문이다.

SKA-Mid

전례 없는 규모를 목표로, SKAO는 SKA-Mid 부분에 최소 197개의 완전 조향 가능한 안테나를 포함하며, 기존 남아프리카의 64개 상호 연결 안테나 시스템인 MeerKAT 전파 망원경을 새로운 프로젝트에 통합한다.

기존 MeerKAT 전파 망원경의 13.5m 직경 안테나는 약간 더 큰 15m 직경 SKA 안테나와 결합되어 하나의 시스템으로 통합된다.

안테나 간 최대 거리(또는 기준선)는 150km이며, 총 수집 면적은 33,000 m²가 된다.

중국, 호주, 캐나다, 프랑스, 독일, 이탈리아, 남아프리카, 스페인, 영국, 스웨덴의 기관들이 SKA-Mid 설계에 기여했으며, 다양한 부품은 전 세계에서 제조된 뒤 남아프리카로 운송되어 조립될 것이다.

각 22미터 높이, 15미터 직경 안테나는 66개의 개별 패널로 구성되며, 각 패널은 평균 표면 정확도가 0.010~0.030mm 사이가 되도록 조정되어 매끄러운 수집 표면을 보장한다.

출처: SKAO

160kg 무게의 수신기는 전파를 아날로그에서 디지털로 변환하며, 이후 광섬유를 통해 전송되고 처리된다.

15미터 안테나 선택은 정밀도와 고해상도(작은 안테나가 유리)와 한 번에 넓은 하늘 구역을 스캔할 수 있는 능력(큰 안테나가 유리) 사이의 타협이었다.

비용 제약, 안테나 대량 생산 가능성, 설치 속도, 낮은 운영 비용 유지, 고풍속이나 열 스트레스와 같은 환경 극한을 견디는 능력 등도 시스템 설계 시 고려된 사항이다.

출처: SKAO

전체적으로, 현재 최고의 전파 망원경에 비해 SKA-Mid는 해상도가 4배, 감도가 5배, 하늘을 조사하는 속도가 60배 빠를 것이다.

SKA-Low

SKA-Low는 SKA-Mid와 매우 다른 설계를 사용하며, 이는 큰 안테나를 사용하는 다른 전파 망원경과 더 유사하다.

대신 SKA-Low는 512개 스테이션에 걸쳐 131,072개의 로그 주기 안테나를 사용할 것이다. 로그 주기 안테나는 2미터 높이의 작은 안테나로, 저주파 전파를 탐지하도록 설계되었다.

출처: ABC

안테나의 ‘크리스마스 트리’ 형태는 50MHz에서 350MHz 범위의 모든 전파 신호를 탐지하도록 설계되었다. 더 긴 신호는 일반적으로 가장 오래된 것으로, 우주의 팽창에 의해 ‘늘어났기’ 때문이다.

안테나는 자체적으로 움직이지 않지만, ‘빔포밍’이라는 기술을 사용해 올바른 방향으로 향하게 하며, 본질적으로 신호가 오는 방향을 감지해 증폭한다.

각 안테나는 스마트 박스에 연결되어 증폭된 전기 신호를 광 데이터로 변환하고, 광섬유를 통해 중앙 처리 시설(CPF)로 전송한다.

전체적으로, SKA-Low 안테나는 놀라운 419,000 m²의 수집 면적을 만든다. 이는 가장 약한 신호조차도 이전에 불가능했던 방식으로 탐지, 결합 및 증폭될 수 있음을 의미한다.

출처: SKAO

또한 현재 사용 중인 유사 최고 시스템에 비해 SKA-Low는 성능이 크게 향상되어 해상도가 25% 개선되고, 감도가 8배, 하늘 조사 속도가 135배 빨라진다.

SKA-Low 안테나 설계에서는 대량 생산 필요성이 많은 옵션을 결정했으며, 예를 들어 모든 안테나를 움직이지 않는 부품으로 제작했다.

SKAO의 목표

SKAO는 전파 망원경 시스템이 구축되는 동안 연속적인 단계로 배치될 것이다.

1단계에서는 은하계 내에서 최대 10,000개의 일반 펄서와 1,000개의 밀리초 펄서(초고속 및 강력한 펄서)를 탐지할 수 있는 감도가 기대된다. 완전 배치될 경우, 지구를 향해 신호를 방출하는 모든 은하계 펄서를 탐지할 수 있어야 한다.

또한 최초 별과 은하가 형성된 순간과 조건인 이른바 ‘코스믹 새벽’에 대한 최초의 상세 측정과, 이후의 ‘재이온화 시대’를 제공하여 현재 우주의 상태와 더 유사하게 만들 것이다.

출처: SKAO

SKAO는 전파 신호에 미치는 영향을 통해 LIGO 중력파 검출기를 보완하며, 중력파를 분석할 수 있게 된다.

시스템은 가변 ‘서브 배열’을 형성할 수 있어 전체 간섭계 망원경의 일부만 동원하여 동시에 관측 및 실험을 병행할 수 있다.

출처: SKAO

SKAO 기술 성과

제조 및 경제적 영향

기술적인 측면에서 SKAO는 규모와 정밀성으로 인상적이며, 특히 SKA-Mid는 수백 번, SKA-Low는 수십만 번 복제되어야 하는 안테나의 극도로 정밀한 제조가 요구된다.

이는 참여 국가들의 기업들과 다수의 파트너십 프로그램을 통해 달성되었으며, 그들의 기술 역량과 지역 경제에 강력한 영향을 미쳤다. 예를 들어:

• 시간 및 주파수 분배용 하드웨어는 스페인 기업 Seven Solutions에 의해 개발되었으며, 이후 다국적 항공우주 기업 Safran Electronics & Defense에 인수되었다.
• SIRIO Antenne, an Italian family business has been contracted to manufacture the telescope’s first 78,520 antennas over approximately 2.5 years
• Australian Ventia 는 호주 SKA-Low 망원경을 위한 인프라를 제공하기 위해 3년 동안 1억 2,500만 유로 계약을 수주했다.
• South Africa Power Adenco, owned at 51% by Adenco Construction, provides the optical fiber, road, and power required by the project.
• The Swedish AAC Clyde Space, 는 자회사 AAC Omnisys를 통해 전파 탐지를 위한 고정밀 측정 기기를 제공한다.

데이터 관리

SKAO가 미칠 또 다른 영향은 데이터 처리이다. 안테나가 수집한 전파 신호가 디지털 정보로 변환되면서 처리해야 할 방대한 데이터가 발생한다.

평균 8테라비트/초의 데이터가 호주 머처슨 외곽에 있는 SKA-Low 망원경에서 퍼스의 처리 시설로 수백 킬로미터에 걸쳐 전송된다. 남아프리카의 SKA-Mid는 데이터 전송 속도가 약 20테라비트/초로 더 크다. 이는 현재 세계 최대인 ALMA 전파 망원경이 생성하는 데이터의 1,000배에 해당한다.

각 안테나가 수신한 데이터는 약간씩 다른 시점에 있기 때문에 초정밀 원자 시계를 이용해 정렬해야 한다. 이 요구사항은 매우 엄격하여 데이터를 동기화하는 새로운 방식을 설계해야 했다.

그 후 데이터는 Science Data Processors (SDPs)라 불리는 2대의 슈퍼컴퓨터로 전송된다. 각각은 약 135 PFlops(페타플롭스)의 처리 속도를 가지며, 2022년 지구 상에서 상위 3대의 가장 빠른 컴퓨터 중 하나였다.

전체적으로, 프로젝트는 연간 700페타바이트의 데이터를 보관할 것이며, 이는 일반 노트북 150만 대의 하드 드라이브에 해당한다.

대부분의 컴퓨팅은 태양광 발전소와 그에 연결된 배터리로 전력을 공급받으며, 디젤 발전기 백업이 있다.

SKAO 1단계 이후

SKAO의 다음 단계

점점 더 많은 안테나가 연결됨에 따라 SKAO의 용량은 증가하여 해상도와 전체 스캔 용량이 모두 확대될 것이다.

출처: SKAO

장기적으로 SKAO는 더 많은 전파 망원경 배열을 통합하도록 설계되었다. 이는 호주에 더 많은 안테나를 추가하고, 다른 아프리카 국가에 새로운 배열을 구축함으로써 달성될 것이다. 고려 중인 새로운 파트너로는 보츠와나, 가나, 케냐, 마다가스카르, 모리셔스, 모잠비크, 나미비아, 잠비아 등 남아프리카 이웃 국가들이 있다.

프로젝트 2단계에서는 “제곱 킬로미터 배열과 함께하는 천체물리학 진전” 시리즈의 새로운 권인 “Advancing Astrophysics II“이 준비 중이다.

다른 전파 망원경

미국은 현재 VLA의 후속 모델인 차세대 매우 큰 배열(ngVLA)을 구축하고 있으며, 이는 25미터 안테나로 구성되어 미국 본토, 하와이, 푸에르토리코, 캐나다에 걸쳐 5,505마일(8,860km) 범위에 퍼져 있다.

출처: ngVLA

또 다른 계획은 NASA가 달의 어두운 면에 거대한 전파 망원경을 건설하는 것으로, 이는 지구의 모든 간섭으로부터 완전히 차단되는 위치에 있으며, LuSEE-Night 장치(달 표면 전자기 실험)라고 명명되었다. 큰 안테나 대신 긴 케이블을 사용해 전파 신호를 탐지한다.

출처: Cosmo

보다 더 야심찬 개념인 달 크레이터 전파 망원경(LCRT)은 달의 3~5km 크레이터를 안테나로 활용하고, 1km 길이의 케이블을 수신 안테나로 사용하는 설계를 상상한다.

출처: NASA

결론

SKAO의 결과는 다른 망원경에 비해 시각적인 요소가 훨씬 적을 것이며, 이는 중성자 별 및 은하 중심의 초대질량 블랙홀과 같은 우주에서 가장 거대한 객체가 생성하는 보이지 않고 복잡한 전파 신호에 초점을 맞추기 때문이다.

하지만 이러한 결과는 JWST와 같은 망원경의 데이터만큼, 혹은 그보다 더 크게, 우리 우주 이해를 혁신할 수 있다. 여기에는 우주의 최초 순간과 중력파가 현재 우리가 알고 있는 우주를 어떻게 형성하는지가 포함된다.

또한 이는 수천 명의 세계 최고 전문가들을 동원하는 거대한 산업·과학 사업이다. 이전 전파 천문학 프로젝트와 마찬가지로, 사용되는 하드웨어와 소프트웨어에 대한 극한의 기술 요구는 무선 데이터 탐지, 반도체 및 정밀 제조, 데이터 분석 분야의 발전을 촉진할 것이다.

따라서 의심할 여지 없이, 이는 21^st 세기 초 가장 중요하고 변혁적인 과학 메가프로젝트 중 하나로 기억될 것이다.

SKAO 관련 기업

AAC Clyde Space

많은 기업이 SKAO에 참여하고 있지만, 일부 기업에게는 회사 규모가 작고 프로젝트가 비교적 커서 훨씬 큰 계약이 된다.

AAC는 그 중 하나로, 스웨덴 기업이며 2023년에 핵심 전파 천문학 수신기를 제공하는 전파 망원경 프로젝트 입찰에 성공했다.

이 프로젝트는 1,200만 유로 규모이며, 주문은 2027년 1분기까지 납품될 예정이다. 각 수신기는 1미터 이상이며 무게는 180kg이다. Omnisys는 프로젝트에 80개의 완전 작동 및 통합된 수신기 시스템을 제공한다. 부착된 디지털 변환기는 Qualcomm (QCOM )에 의해 제작된다.

출처: Chalmers SE

전파 망원경 시스템 외에도 AAC는 소형 위성 제작 및 운영에 전문성을 가지고 있다. 회사의 소형 위성에 대한 집중은 궤도 진입 발사 비용 감소의 혜택을 받아 다수의 소형 위성 발사가 보다 수익성이 높아지며, 특히 위성 군집 구축(가장 유명한 예는 SpaceX의 스타링크 (SPCX ))과 함께한다.

AAC는 자체적으로 15개의 위성 군집을 보유하고 있으며, 궤도 이미지, 선박 추적, 정밀 농업, 산림 데이터 등을 고객에게 제공한다. 고객은 자체 위성을 운영할 필요가 없다.

회사는 향후 10년 동안 이 “서비스로서의 우주 데이터” 제공을 확대할 계획이며, 2025년에 농업용 고광谱 데이터를 추가하고, 선박 통신을 위한 VDES(초고주파 데이터 교환 시스템)도 도입한다(첫 위성은 2023년에 발사됨).

출처: AAC

그 사이에 회사는 새로운 위성 구축 계약을 따내고 있다. 예를 들어 유럽 기상 위성 활용 기구(EUMETSAT), 실시간 광학 및 양자 지구 직접 통신 ESA OPS-SAT VOLT, 스코틀랜드 최초 위성 UKube-1, 혹은 해양 통신 위성 Ymir-1 등이 있다.

유럽에 위성 시스템을 제공하는 핵심 공급업체로서, 회사는 해당 지역이 관련 우주 강국으로 남고 자체 위성 군집을 개발하려는 목표에서 이익을 얻을 수 있는 좋은 위치에 있다. 비록 ESA가 중국, SpaceX 또는 Rocket Lab에 비해 재사용 발사체에서 뒤처지고 있더라도(RKLB ) (전용 Rocket Lab 투자 보고서를 보려면 링크를 클릭하십시오).