우주를 들여다보는 인류의 눈이 한층 정교해졌다. 지난 15일 스페인 라팔마섬에서 ‘체렌코프 망원경 배열 관측소(CTAO)’의 대형 망원경 4기 준공식이 열렸다. CTAO는 세계 최대 규모로 건설 중인 지상 감마선 관측소다. 우주에 떠 있는 제임스웹 우주망원경과 이번에 준공한 CTAO, 그리고 현재 구축 중인 초거대망원경(ELT) 등을 통해 인류는 초기 은하 탄생부터 블랙홀 주변의 극한 물리 현상까지 우주의 다양한 모습을 더욱 정밀하게 들여다볼 수 있게 된다.

블랙홀 주변에서 무슨 일이 벌어질까…감마선으로 추적

CTAO는 우리 눈에 보이는 가시광선보다 훨씬 높은 에너지를 가진 감마선을 관측한다. 특히, 초고에너지 감마선은 블랙홀 주변에서 입자가 빛의 속도에 가깝게 가속되거나 별이 폭발하는 등 극한의 물리 현상이 벌어질 때 생성된다. CTAO는 초고에너지 감마선 추적을 통해 이 같은 우주의 극한 물리 현상을 이해하고, 고에너지 입자인 ‘우주선(cosmic rays)’의 발생 장소를 추적하는 임무를 맡았다.

지름 23m의 반사경을 갖춘 대형 망원경(LST)은 CTAO의 핵심이다. 감마선은 지구 대기를 그대로 통과하지 못한다. CTAO는 이를 해결하기 위해 감마선이 대기에서 만들어내는 빛을 간접적으로 포착한다. 우주에서 날아온 감마선이 대기와 충돌하면 수많은 2차 입자가 연쇄적으로 생성된다. 이 입자들이 공기 중에서 빛의 속도보다 빠르게 움직일 때 ‘체렌코프 빛’이라는 희미한 섬광이 발생한다. 체렌코프의 빛은 불과 수십억분의 1초 동안 나타났다 사라진다. CTAO는 대형 반사경과 초고속 카메라로 이 섬광을 포착해 감마선이 날아온 방향과 에너지를 역으로 추정한다.

그간 CTAO는 2018년 준공한 첫 번째 망원경 LST-1을 중심으로 시험 관측을 진행해 왔다. LST-1은 시험 운영 단계에서부터 여러 연구 성과를 냈다. 대표적인 성과가 먼 우주의 퀘이사 ‘OP 313’ 관측이다. 퀘이사는 은하 중심의 초대질량 블랙홀 주변에서 막대한 에너지가 방출되며 밝게 빛나는 천체다. 연구진은 2023년 12월 OP 313에서 방출된 초고에너지 감마선을 포착했는데, 이는 약 80억 년에 걸쳐 지구에 도달한 빛이다. 연구 결과는 지난 8월 국제학술지 ‘천문학과 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)’에 실렸다. 

또, 빠르게 회전하는 중성자별인 펄서에서도 성과를 냈다. 약 60시간의 관측을 통해 게밍가 펄서가 방출하는 20~65GeV 감마선을 검출했다. OP 313처럼 높은 에너지의 감마선뿐만 아니라 비교적 낮은 에너지의 감마선까지 포착할 수 있는 LST-1의 관측 능력을 입증한 결과다.

망원경 1기에서 4기로…감마선 관측 정밀도 높인다

이번에 LST-2, LST-3, LST-4가 추가되면서 총 4기의 망원경으로 구성된 관측 배열이 완성됐다. 망원경이 4기로 늘어나면 여러 망원경이 서로 다른 위치에서 동일한 감마선에 의해 발생한 대기 입자들의 움직임을 동시에 관측할 수 있다. 한 눈으로 보는 것보다 두 눈으로 보는 것이 사물의 거리와 입체감 파악에 유리하듯, 여러 방향에서 얻은 정보를 결합하면 감마선의 발생 방향과 에너지를 더욱 정확하게 알아낼 수 있다. 동시에 관측을 방해하는 다른 입자들의 신호도 효과적으로 걸러낼 수 있다. 

CTAO가 주목받는 또 다른 이유는 먼 과거의 우주를 연구할 가능성 때문이다. 초고에너지 감마선은 우주 공간을 이동하는 동안 다른 빛과 상호작용해 흡수된다. 이 때문에 아주 먼 천체에서 방출된 감마선을 관측하기는 쉽지 않다. 반면, CTAO의 대형 망원경은 상대적으로 낮은 에너지의 감마선까지 민감하게 포착하도록 설계돼 이런 한계를 일부 극복할 수 있다. 연구진은 약 120억 년 전, 우주의 나이가 20억 년도 채 되지 않았던 시기에 발생한 감마선 폭발도 관측할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

CTAO는 앞으로 스페인 라팔마섬의 관측 시설과 칠레 아타카마 사막의 관측 시설에 총 60기 이상의 망원경을 배치할 계획이다. 대형, 중형, 소형 망원경을 조합해 약 20GeV부터 300TeV(1TeV는 1000GeV)까지 폭넓은 에너지 영역을 관측한다는 목표다. 연구진은 이를 통해 블랙홀과 중성자별 주변의 입자 가속 원리를 밝히고, 우주선의 기원을 추적할 계획이다. 아직 정체가 밝혀지지 않은 암흑물질도 주요 연구 대상이다. 

LST 국제공동연구단의 연구책임자이자 CTAO 컨소시엄 대변인인 테시마 마사히로 교수는 “LST 망원경 배열의 완공은 15년 이상 이어진 국제협력과 기술혁신의 결실”이라며 “이 망원경들을 통해 초대질량 블랙홀과 중성자별을 비롯한 우주의 극한 환경, 우주선의 기원, 암흑물질의 본질을 탐구할 수 있을 것”이라고 밝혔다.