천문학 레이저란 무엇입니까?
레이저는 천문학자들에게 필수적인 도구가 되어 천체를 보다 정확하게 관찰할 수 있게 되었습니다. 특히, 이전에 가능했던 것보다 먼 별, 은하 및 기타 천체에 대한 더 나은 이미지를 생성하는 것이 가능해졌습니다.
레이저는 천문학의 여러 분야에서 사용됩니다. 가장 일반적으로 대형 천문 망원경의 영상 품질과 기능을 향상시키기 위해 다양한 기술에 사용됩니다. 그러나 이는 중력파 감지 및 기타 응용 분야의 핵심이기도 합니다.
레이저 가이드 스타
망원경으로 천체의 고해상도 이미지를 형성하는 데 있어 한 가지 주요 제한 사항은 지구 대기의 흐릿한 효과입니다. 특히, 망원경 위 공기 기둥의 난류와 온도 변화로 인해 천체에서 나오는 빛의 파면이 왜곡되어 완벽하게 선명한 이미지를 형성하는 것이 불가능합니다.
이를 완전히 최소화하거나 방지하는 한 가지 방법은 망원경을 매우 높은 산봉우리나 우주에 배치하는 것입니다. 그러나 지상에서 가장 높은 산에 위치한 망원경의 성능은 소위 "천문 관측"으로 인해 여전히 상당한 제한을 받습니다.
천문 관측 문제를 최소화하기 위해 천문학자들이 개발한 한 가지 방법은 적응 광학(AO)입니다. 이는 망원경 광학 경로의 유연하거나 변형 가능한 거울을 사용하여 파면의 모양을 실시간으로 조정하여 대기 왜곡을 수정합니다.
적응 광학은 별이 우리에게 너무 멀리 떨어져 있어 완벽하게 평평한 파면을 생성하는 점 광원처럼 보인다는 사실을 활용합니다. 그래서 우리는 별의 실제 파면을 측정하고 그것이 평평한 상태에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 계산합니다. 그런 다음 이 정보는 변형 가능한 거울에 파면을 수정하고 평평한 상태로 복원하기 위해 모양을 변경하는 방법을 알려주는 데 사용됩니다.
적응 광학 시스템은 빠르게 변화하는 대기 왜곡을 보상하기 위해 초당 수천 번의 조정을 수행할 수 있습니다. 그 결과 기존 망원경에 비해 천체의 이미지가 훨씬 더 선명하고 세밀해졌습니다.
그러나 AO 시스템이 제대로 작동하려면 상당히 밝은 별이 필요합니다. 망원경이 하늘의 어느 위치를 가리키는지에 따라 시야 내에 충분히 밝은 별이 있을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 만약 존재하지 않는다면 레이저를 대기에 비추어 인공적인 안내별을 만들 수 있습니다. 그런 다음 레이저 가이드 별(LGS)을 적응 광학 시스템의 기준 파면으로 사용할 수 있습니다.
실제로 LGS를 생성하는 두 가지 서로 다른 접근 방식이 있으며, 각 접근 방식이 실제로 구현되는 방식에는 다양한 변형이 있습니다. 가장 널리 사용되는 기술은 589nm에서 방출되는 레이저를 활용하여 대기 중 약 90km 고도에 존재하는 나트륨 원자를 여기시키는 것입니다. 나트륨 원자는 레이저 광을 흡수했다가 다시 방출하여 LGS를 생성합니다.
두 번째 방법은 "Rayleigh 비콘"이라고 불리는 것에 의존합니다. 이 접근 방식은 일반적으로 자외선 레이저를 사용하여 대기 중 약 15~25km 높이의 분자에서 빛 산란을 생성합니다. Rayleigh 비콘은 구성이 더 간단하고 비용이 저렴하지만 나트륨 LGS 접근 방식만큼 좋은 파면 기준을 제공하지 않습니다. 이는 레일리 비콘 LGS가 대기에서 훨씬 낮게 나타나기 때문에 천체에서 나오는 빛과 정확히 동일한 왜곡을 경험하지 않기 때문입니다.
다중 망원경 간섭계
망원경 이미지 품질을 향상시키는 또 다른 방법은 조리개를 더 크게 만드는 것입니다. 이는 망원경이 클수록 빛의 회절이 이미지 품질에 미치는 부정적인 영향이 낮아지기 때문입니다. 따라서 더 큰 망원경은 더 자세하고 밝은 이미지를 생성할 수 있습니다.
그러나 실용적인 측면에서 망원경을 만들 수 있는 크기에는 제한이 있습니다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 여러 망원경의 빛을 결합하여 더 크고 해상도가 높은 기기를 시뮬레이션하는 것입니다.
빛을 결합하려면 망원경이 물리적으로 가까이 있어야 합니다. 그런 다음 개별 빔을 매우 정확하게 결합해야 합니다. 특히, 각 망원경에서 재결합 지점까지의 거리는 빛 파장의 작은 부분 내에서 동일해야 합니다. 가시광선의 경우 파장은 약 0.5μm입니다.
그러나 각 망원경의 광학 경로가 명목상 동일하더라도 열팽창 및 진동의 실제 효과는 필요한 값보다 훨씬 더 큰 전체 경로 길이에서 시변 오류를 생성합니다. 이를 수정하기 위해 각 망원경의 빔 경로에 "지연선"이 사용됩니다. 이를 통해 모든 거리를 정확히 동일하게 유지하기 위해 각각의 전체 경로 길이를 미세하고 매우 정확하게 조정할 수 있습니다.
여러 개의 대형 망원경을 결합할 때 지연선을 구현하는 방식에는 여러 가지가 있습니다. 흔히 레일에 장착된 거울에서 빔을 반사시키는 작업이 포함됩니다. 이를 통해 광축을 따라 이동할 수 있습니다. 미러 위치를 변경하면 지연선의 길이가 조정됩니다.
이 기술의 성공의 열쇠는 파장의 일부(가시광선의 경우 수십 나노미터)의 정확도로 거울의 위치를 측정하는 능력입니다. 레이저를 이용한 거리측정간섭계이를 달성하기 위한 궁극적이고 가장 민감한 수단을 제공합니다. 일반적으로 이는 상대적으로 선폭이 좁은 저전력 CW 가시 파장 레이저를 사용합니다. 이는 수 미터 이상의 경로 길이에 걸쳐 간섭계를 수행하는 데 필요한 일관성 길이를 제공합니다.
레이저를 위한 기타 천문학 응용
천문학 내에서 레이저는 다른 용도로 많이 사용됩니다. 예를 들어, 레이저 간섭계는 중력파 천문학의 기초를 형성하기도 합니다.
그러나 다음의 경우레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)– 실제로 워싱턴주 핸포드와 LA 리빙스턴에 위치한 두 개의 별도 관측소 – 정밀도와 감도는 이전에 달성한 어떤 것보다 훨씬 뛰어납니다.
이러한 각 시설은 길이가 약 4km인 L자형 간섭계를 사용합니다. LIGO는 두 간섭계 다리 사이의 경로 차이 변화를 양성자 직경의 1/1000 미만 거리까지 측정할 수 있을 만큼 민감합니다. 이는 블랙홀이 충돌할 때 생성되는 중력파(시공간의 작은 잔물결)를 측정하는 데 필요한 것입니다.
LIGO에는 실제로 수많은 레이저와 레이저 증폭기가 통합되어 있습니다. 간섭계의 메인 빔은 다음과 같이 생성됩니다.일관된 메피스토. 이 레이저는 가장 낮은 노이즈와 가장 좁은 선폭 CW 레이저 아키텍처로 널리 인식되는 비평면 링 발진기(NRPO)를 사용하기 때문에 선택되었습니다. Mephisto의 출력은 여러 단계를 거쳐 증폭하고, 소음을 줄이고, 주파수, 전력 및 횡단 모드 구조를 안정화합니다.
레이저는 지구에서 달까지의 거리를 측정하는 데에도 일상적으로 사용됩니다. 그들은 3개의 아폴로 임무와 2개의 후속 러시아 달 탐사선에 의해 달 표면에 남겨진 역반사 거울 배열에 레이저 펄스를 반사시켜 이를 수행합니다. 비행 시간이나 이동 경로를 사용하여 거리를 계산하며, 단 몇 밀리미터의 정밀도도 얻을 수 있습니다.
레이저는 NASA의 Perseverance 탐사선을 타고 화성까지 도달했습니다. 레이저를 사용하여 소량의 화성 암석을 기화시킵니다. 이는 빛을 방출하는 플라즈마를 생성합니다. 이 빛의 분광학 분석은 암석의 화학적 구성을 드러냅니다.
그림 1. NASA Mars Perseverance 탐사선의 레이저에 의해 화성 암석에 일련의 구멍이 생성되었습니다. 사진 NASA/JPL-Caltech/ASU.
전반적으로 천문학 레이저는 연구와 관찰의 발전에 중요한 역할을 합니다. 이들은 앞으로도 계속해서 새로운 기술 개발에 핵심적인 역할을 할 것입니다.