파장이 바꾸는 이야기: 전파, 적외선, 가시광, 자외선, 엑스선, 감마선
전파, 적외선, 엑스선, 합주라는 네 단어를 먼저 적어 둡니다. 하늘의 사건은 한 가지 색으로는 온전히 설명되지 않습니다. 빛은 파장이 길수록 부드럽고, 짧을수록 날카롭습니다. 전파는 가장 길어 차가운 가스와 희미한 자기장의 지문을 잘 드러내고, 적외선은 먼지에 가린 속을 비추어 별이 태어나는 방의 온기와 얼음의 배치를 보여 줍니다. 가시광은 우리가 익숙한 별빛의 색과 밝기를 담아 별의 표정과 무리의 나이를 읽게 하고, 자외선은 뜨겁고 젊은 별이나 강한 충격의 자취를, 엑스선과 감마선은 가장 뜨겁고 거센 무대—폭발, 충돌, 빠른 입자—의 단면을 보여 줍니다. 같은 대상이라도 파장에 따라 전혀 다른 모습이 드러나는 까닭은, 물질이 각 온도와 밀도에서 서로 다른 색으로 에너지를 내고 흡수하기 때문입니다. 예를 들어 차가운 분자 구름은 전파와 적외선에서 실 같은 무늬로 보이지만, 엑스선에서는 거의 보이지 않습니다. 반대로 은하단의 뜨거운 기체는 엑스선에서 넓고 옅은 연못처럼 드러나지만, 가시광에서는 별 무리의 반짝임만 강하게 보입니다. 활동은하핵의 중심에서는 보이지 않는 경계 근처의 원반이 자외선과 엑스선으로 요동치고, 멀리 뻗은 제트는 전파에서 길게 이어진 실로 남습니다. 외계행성의 표면은 직접 보기 어렵지만, 별빛이 행성의 대기를 스치며 남기는 미세한 색 변화는 적외선에서 조금 더 선명하게 드러나 공기와 구름의 단서를 줍니다. 이처럼 파장은 곧 언어입니다. 여러 언어로 같은 장면을 기록하면, 빠진 문장을 서로 채워 줍니다. 다중 파장 천문학의 핵심은 ‘겹쳐 읽기’입니다. 각 파장이 주는 장점은 다르고, 약점도 다릅니다. 전파는 해상도가 낮아 모양이 뭉개지기 쉽지만, 먼지의 벽을 통과해 깊은 속을 봅니다. 적외선은 열의 흐름을 잘 잡지만, 지구 대기의 흔들림과 발열을 면밀히 보정해야 합니다. 가시광은 선명하고 빠르지만, 먼지에 취약합니다. 자외선과 엑스선은 뜨거운 장면에 민감하지만 대기가 대부분 가로막아 우주 망원경이 필요합니다. 그래서 우리는 파장의 합주를 선택합니다. 한 악기가 멈추면 다른 악기가 그 구멍을 메우는 오케스트라처럼, 여러 파장을 포개야 비로소 한 대상의 생활이 입체로 보입니다.
창과 귀를 고르는 법: 대기의 창, 지상과 우주, 간섭계와 어레이
대기창, 우주망원경, 간섭계, 어레이라는 네 단어로 도구의 선택을 정리하겠습니다. 지구 대기는 보호막이자 필터입니다. 가시광과 전파의 일부 구간에는 ‘창’이 열려 있어 지상에서도 하늘을 볼 수 있지만, 자외선과 대부분의 적외선, 그리고 엑스선과 감마선은 대기가 막아 서 있습니다. 따라서 뜨겁고 거친 장면을 보려면 우주로 올라가야 하고, 차갑고 어두운 장면을 넓게 보려면 지상에서 큰 접시나 긴 망원경 배열이 유리합니다. 전파 영역에서는 ‘간섭계’가 위력을 발휘합니다. 멀리 떨어진 여러 접시가 동시에 같은 대상을 기록하면, 마치 그 사이 거리를 직경으로 가진 거대한 망원경처럼 세밀한 지도를 얻을 수 있습니다. 이 방식은 행성 형성 원반의 고리, 은하 중심의 제트, 성간 구름의 실 같은 섬세한 구조를 드러내는 데 탁월합니다. 가시광과 적외선에서는 거대한 거울과 정교한 보정 장치가 핵심입니다. 대기의 흔들림으로 생기는 번짐을 실시간으로 좁혀 주는 기술을 쓰면, 지상에서도 우주 못지않은 선명도를 얻을 수 있습니다. 엑스선과 감마선은 우주 망원경이 주력입니다. 거친 입자와 광자가 검출기에 남기는 작은 신호를 조심스럽게 모아, 폭발의 여운과 뜨거운 기체의 분포를 그립니다. 한편 넓은 하늘을 빠르게 훑는 ‘어레이’형 관측도 중요합니다. 많은 눈이 동시에 하늘을 살피면 드문 사건의 첫 불꽃을 놓치지 않고, 다른 파장의 관측을 즉시 불러 모을 수 있습니다. 이때 시간표를 맞추는 것이 관건입니다. 짧게 번쩍이는 사건은 몇 초, 몇 분 사이에 성격이 바뀌므로, 서로 다른 파장의 망원경이 약속된 신호로 재빨리 한 장면에 몰려야 합니다. 도구 선택의 마지막 원칙은 투명성과 반복입니다. 각 장비의 잡음과 시계 오차, 대기의 상태를 함께 기록하고 공개해야, 서로 다른 팀이 같은 결론에 도달할 수 있습니다. 다중 파장 연구는 한 장비의 공연이 아니라 합동 연습입니다. 관측소의 시계는 위성 신호로 맞추고, 기록은 표준 형식으로 저장해 서로 곧바로 비교합니다. 같은 목표를 다른 망원경이 넘겨받는 절차도 미리 연습해 두어, 뜻밖의 사건에도 빠르게 대응합니다.
한 대상을 여러 창으로: 사례와 교차 검증의 기술
사례, 교차검증, 시간표, 공개라는 네 단어로 마무리하겠습니다. 먼저 초신성 잔해를 떠올려 봅니다. 전파에서는 폭발 파도가 주변 가스를 밀어 만든 얇은 고리가 또렷하고, 적외선에서는 먼지가 데워져 내는 따뜻한 빛이 퍼집니다. 가시광에서는 빠른 충격이 만든 얇은 실이, 엑스선에서는 수백만 도의 뜨거운 기체가 그물처럼 펼쳐집니다. 네 장면을 겹치면, 어느 구역에서 파도가 아직 강한지, 어디에서 먼지가 새로 생겼는지, 어떤 곳이 이미 식어 가는지 한눈에 들어옵니다. 다음으로 활동은하핵을 보겠습니다. 자외선과 엑스선의 깜빡임은 안쪽 원반의 크기와 회전을 암시하고, 전파의 제트 지도는 에너지 배출의 방향과 속도를 알려 줍니다. 가시광의 좁은 빛줄무늬는 핵 주변의 가스가 얼마나 빠르게 돌며 어디서 멈추는지 말해 줍니다. 세 창을 포개면, 보이지 않는 경계 바깥의 바람길과 먹이주기의 박자가 엮여 나옵니다. 외계행성도 예외가 아닙니다. 가시광 통과 관측에서 얻은 크기, 시선속도에서 얻은 무게, 적외선에서 얻은 대기의 거친 성분을 합치면, 밀도와 표면의 가능성을 함께 말할 수 있습니다. 여기에 전파에서 잡히는 별의 자기 활동 정보가 더해지면, 별의 얼룩이 만든 착시를 줄일 수 있습니다. 교차 검증의 기술은 ‘같은 장면을 다른 이유로 설명할 수 있는가’를 묻는 데서 출발합니다. 만약 한 파장에서만 보이는 효과라면, 장비의 잡음이나 환경의 특수 조건일 수 있습니다. 그러나 서로 다른 파장에서 서로 다른 방법으로 같은 결론이 되풀이되면, 우리는 한 단계 더 깊은 확신을 가집니다. 이 과정에서 시간표의 조율이 중요합니다. 변화가 빠른 대상은 서로 다른 파장의 관측이 거의 같은 시각에 이루어져야 하며, 느린 대상은 계절과 해를 건너 반복해 겹쳐 봐야 합니다. 또한 데이터의 공개와 재현 가능성은 연구의 바닥을 단단히 합니다. 원자료와 처리 과정, 보정 표를 함께 나누면, 다른 팀이 다른 장비로도 같은 장면을 되살릴 수 있습니다. 다중 파장 천문학은 결국 ‘한 줄로 말하지 않기’의 연습입니다. 한 대상의 삶을 여러 문장으로, 여러 시간대의 사진으로, 여러 파장의 음으로 기록해 오해를 줄이고 빈칸을 채웁니다. 그렇게 완성된 합주 악보 위에서 우리는 다음 질문을 고릅니다. 무엇을 더 보면 빈칸이 메워질지, 어느 파장이 아직 목소리를 내지 않았는지를요.
출처: 한국천문연구원 다중파장 관측 해설, 국립중앙과학관 천문 자료, 유럽우주국(ESA)·미국항공우주국(NASA) 교육 자료