NASA JPL에 게재된 성명서에 따르면 NASA는 인류의 우주탐험 방식을 바꿀 수 있는 새로운 '딥 스페이스 원자시계(Deep Space Atomic Clock)'를 팔콘 해비(Falcon Heavy) 로켓에 실어 궤도 위로 올려 보냈습니다. NASA 제트추진연구소에서 개발한 '딥 스페이스 원자시계(Deep Space Atomic Clock)'는 인공위성을 기반으로 한 원자시계를 업그레이드한 것입니다.
궁극적으로는 화성처럼 더 먼 곳으로 우주선이 자율적으로 항해할 수 있도록 도와줍니다. NASA의 새로운 딥 스페이스 원자시계(Deep Space Atomic Clock)가 정확하게 무엇일까요.
왜 우주항해에 시계가 필요할까
우주선이 지구로부터 떨어져 있는 거리를 결정하기 위해서는 항법장치(navigators)를 이용해야 합니다. 항법장치는 우주선으로 신호를 보낸 후 이것이 지구로 돌아오는 시간을 이용하는데요. 이 신호는 빛의 속도로 이동합니다. 여러 개의 신호를 보내고, 돌아오는 시간을 측정합니다. 이런 식으로 항법창치는 우주선의 궤적을 계산합니다. 우주선이 어디에 있고 어디로 향하고 있는지 알 수 있는거죠.
손목시계에서부터 인공위성에 이르기까지 오늘날 대부분의 시계는 시간을 기록하기 위해 수정 발진기(quartz crystal oscillator)를 이용합니다. 이 기기는 전압이 가해지면 정밀한 주파수에서 수정 결정판(quartz crystals)이 진동하는 식으로 작동합니다.
1m이내의 우주선 위치를 알기 위해 항법장치는 정확한 시간 분해능(time resolution)을 가진 시계가 필요합니다. 즉, 10억분의 1초까지 측정할 수 있는 시계를 가리키는 겁니다. 극도로 안정적인 성격도 중요합니다. 여기서 '안정성(Stability)'이란 시계가 시간 단위를 얼마나 일관되게 측정하는지를 의미합니다. 가령, 1초의 길이를 측정한다고 했을 때 며칠이 지나도, 몇 주가 지나도 동일하게 측정돼야 합니다.
원자가 시계와 무슨 관계?
우주항법 기준에 따르면 수정 시계(quartz crystal clocks)는 그다지 안정적이지 않습니다. 1시간만 지나면 성능이 가장 좋은 수정 발진기도 10억분의 1초 느려질 수 있습니다. 6주 후 1초에 천분의 1초 느려지거나 혹은 거리 오차가 약 300km까지 발생할 수 있습니다. 이는 고속으로 이동하는 우주선의 위치를 측정할 때 엄청난 영향을 미칠 수 있습니다.
원자시계가 더 나은 안정성을 갖추기 위해 전문가들은 수정 발진기와 원자를 결합했습니다. NASA의 딥스페이스 원자시계는 4일이 지나도 10억분의 1초 미만으로, 10년 후에도 100만분의 1초 미만으로 느려집니다. 즉, 딥 스페이스 원자시계는 1,000만 년에 1초씩 느려지는 셈입니다.
원자는 전자에 둘러싸인 핵(양성자와 중성자)으로 구성돼 있습니다. 주기율표를 구성하는 각 원소들은 원소에 따라 양성자 개수가 다른데요. 양성자의 개수로 원자의 특성을 나타낼 수 있습니다. 즉, 주기율표의 원자번호는 곧 원자의 양성자수입니다. 원자핵 주변에 모이는 전자는 확률적으로 전자구름을 이루고 있는데요. 전자는 구별되는 에너지 준위를 가지고 있으며 에너지 충격은 전자를 핵 주변에서 더 높은 에너지 준위로 튀어오를게 만들 수 있습니다. 전자는 정확히 적절한 양의 에너지를 받아야 합니다.
즉, 전자를 더 높은 에너지 준위로 튀어오르게 하려면 특정한 주파수(frequency)를 가지는 마이크로파(microwaves)가 필요합니다. 전자가 궤도를 바꾸는 데 필요한 에너지는 각 원소마다 고유하며, 우주에 있는 모든 원소(element)속 원자(atom)에 일괄적으로 적용됩니다. 예를 들어 탄소 원자가 에너지 준위를 변화시키기 위해 필요한 주파수논 우주에 있는 모든 탄소 원자에서 동일합니다.
딥 스페이스 원자시계에서는 수은(mercury) 원자를 사용하는데요. 수은 원자에서도 마찬가지로 전자의 에너지 준위를 바꾸기 위해서는 탄소와는 다른 주파수가 필요하겠죠? 이는 모든 수은원자에서 동일하게 작용할 겁니다.
NASA 제트추진연구소의 원자시계 물리학자 Eric Burt은 "이 궤도들 사이의 에너지 차이가 이처럼 정확하고 안정적이라는 값이라는 사실은 원자시계의 핵심 요소"라며 "원자시계가 기계로 작동되는 시계의 성능을 뛰어넘을 수 있는 이유"라고 전했습니다. 특정 원자에서 변하지 않는 주파수를 측정할 수 있다는 사실은 보편적이고 표준화된 시간의 측정이 가능하다는 것을 의미합니다. 주파수는 주어진 시간 단위로, 우주에서 특정 지점을 통과하는 파동의 수를 말하는데요.
따라서 파동을 재면 시간을 측정할 수 있습니다. 사실 1초의 길이에 대한 공식적인 측정값은 세슘(cesium) 원자 내의 두 특정한 에너지 준위 사이에서 전자의 튀어 오름이 발생할 때 필요한 주파수로 인해 결정됩니다.
원자시계에서 수정 발진기(quartz crystal oscillator) 주파수는 원자 집합체에 적용되는 주파수로 변환되는데요. 만약 파생된 주파수가 정확하다면 원자에 있는 많은 전자들의 에너지 준위를 바꾸게 할 것입니다. 만약 주파수가 틀리게 될 경우 훨씬 더 적은 수의 전자가 튀게 됩니다. 이렇게 정확한 주파수로 변환되기 위해서는 보정(correction)이 필요한데요. 이는 원자가 결정됩니다. 이런 유형의 보정(correction)은 딥 스페이스 원자시계에서 몇 초마다 계산돼 적용됩니다.
딥 스페이스 원자시계(Deep Space Atomic Clock)의 특별한 점은?
원자시계는 지구 궤도를 도는 GPS 위성을 이용하지만, 그마저도 시계의 변화율을 보정하기 위해 하루 두 번 업데이트를 해줘야 합니다. 이 업데이트는 지상에 있는 커다랗고 보다 안정적인, 우주로 가기 위해 설계되진 않은 원자시계에서 비롯됩니다.
그런데 이번에 NASA에서 개발된 딥 스페이스 원자시계는 우주로 발사된 원자시계 중 가장 우수한 안전성을 가지도록 설계됐습니다. 딥 스페이스 원자시계는 GPS 위성에 있는 원자시계보다 최대 50배나 더 안정적이라고 합니다. 이러한 안정성은 수은 이온을 사용해 얻을 수 있었습니다.
이온은 전기적으로 중성을 띠는 원자에서 한 개 이상의 전자를 잃거나 얻을 때 나타나는 특정한 상태를 나타냅니다. 어떤 원자시계에서든 원자는 진공 챔버 안에 들어있고 그 중 일부에서는 원자가 진공 챔버의 벽과 상호작용하게 됩니다. 그렇게 될 경우, 온도변화 같은 환경적 변화가 발생하고 이는 원자 내에서 변화를 일으키며 주파수 오차를 발생시키게 됩니다.
대다수 원자시계는 중성 원자를 사용하지만 수은 이온은 전하를 가지고 있기 때문에 이러한 상호작용이 일어나는 것을 막기 위한 전자기 트랩(electromagnetic trap)이 필요합니다. 이러한 모든 조건을 갖춘 딥 스페이스 원자시계는 유례없는 수준의 정밀도를 얻을 수 있게 됩습니다.
딥 스페이스 원자시계의 정확성은 화성이나 다른 행성으로 먼 항해를 떠나는 임무를 수행할 때 지구와의 최소한의 통신으로도 자동 항해가 가능하게 해줍니다. 이는 현재 우주선의 항해 방식에 있어 엄청난 도약이라 할 수 있습니다.
