적응광학: 흐려진 빔을 되살리는 기술

맑은 밤에 올려다본 별은 가만히 있지 않고 반짝입니다. 유럽남방천문대(ESO)는 이 반짝임이 시인은 즐겁게 하지만 천문학자는 답답하게 한다고 적었습니다. 별의 반짝임은 곧 상이 흐려진다는 뜻이고, 그만큼 우주의 가장 고운 부분이 지워지기 때문입니다.

반짝임을 만드는 것은 별이 아니라 망원경 바로 위의 공기입니다. 땅이나 바다에서 쏘는 레이저 빔도 같은 공기를 지나야 하고, 대기 난류(atmospheric turbulence)는 레이저 빔의 초점도 흐트러뜨릴 수 있습니다.

적응광학(adaptive optics, AO)은 이 흔들림을 재고, 거울의 모양을 바꿔 그만큼 되돌리는 기술입니다. 「레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다」에서는 빔 제어 체계가 때로 복잡한 적응광학으로 빔의 퍼짐을 바로잡아야 한다는 한 문장으로만 나왔습니다. 그 한 문장 뒤에는 1953년 한 천문학자가 낸 생각이 있습니다. 공기는 빛을 어떻게 흐리고, 거울은 그것을 어떻게 되돌릴까요?

별은 왜 반짝이나: 대기 난류

공기는 한 덩어리가 아닙니다. 온도와 밀도가 조금씩 다른 공기 덩어리들이 뒤섞여 있고, 밀도가 다르면 빛이 꺾이는 정도인 굴절률도 다릅니다. 이렇게 공기가 고르지 않게 뒤섞여 흐르는 것이 대기 난류입니다.

빛이 이런 공기를 지나면, 지나는 길의 길이가 자리마다 달라지고 순간마다 바뀝니다. 모닥불 너머의 풍경이 일렁여 보이는 것과 비슷한 일입니다. 땅의 큰 온도 차가 기압 차와 바람을 만들고, 그 바람이 밀도가 다른 공기를 섞습니다.

이 흔들림은 대부분 대류권에서 생깁니다. 대류권은 보통 땅에서 높이 약 15 km까지이고, 대기 질량의 80%가 여기에 있습니다. 별빛은 망원경에 닿기 직전에 이 두꺼운 층을 통째로 지나옵니다.

좋은 자리를 고른다고 피할 수 있는 일도 아닙니다. 칠레의 파라날처럼 천문 관측에 가장 좋은 곳에서도 난류는 상을 일그러뜨립니다. 망원경을 우주로 올리면 대기를 피할 수 있지만, 우주 망원경은 땅의 시설보다 운영비가 많이 들어 크기와 범위가 제한됩니다.

흐림의 크기를 짐작하게 해 주는 값이 있습니다. 천문 적응광학 리뷰 논문의 설명을 이어 보면, 가시광에서, 리뷰가 기준으로 든 대기 상태(시상 1초각)일 때 난류 속 상의 또렷함은 난류가 없는 곳의 구경 10 cm 정도 망원경과 비슷합니다. 거울이 그보다 훨씬 큰 망원경이라도 적응광학이 없으면 그 정도에 묶입니다. 구경이 클수록 더 또렷이 볼 수 있다는 회절의 이야기는 「빔은 왜 퍼지나: 발산각, 초점, 구경」에 있습니다.

파면: 빛 물결의 앞머리

빛은 파동입니다. 물결로 치면 같은 박자로 출렁이는 지점들, 이를테면 마루를 이어 그린 면을 파면(wavefront)이라고 부릅니다. 파동끼리 겹치고 퍼지는 모습은 「간섭과 회절: 빛이 겹치고 퍼지는 방식」에서 볼 수 있습니다.

아주 먼 별에서 온 빛은 대기에 들어오기 전 평평한 파면으로 다가옵니다. 대기를 지나면서 원래 평평하던 앞머리가 일그러지고, 망원경이 맺는 상은 흐려지고 흔들립니다. 파면의 자리마다 지나온 길의 길이가 조금씩 달라서, 어떤 부분은 조금 늦게, 어떤 부분은 조금 일찍 닿기 때문입니다.

한 줄로 나란히 걷던 사람들이 군데군데 진흙이 깔린 마당을 지나는 장면을 떠올려 볼 수 있습니다. 진흙을 밟은 사람은 처지고, 마당을 나온 줄은 구불구불해집니다. 실제로는 빛이 멈추거나 넘어지지 않고 아주 조금씩 늦어질 뿐이며, 진흙밭에 해당하는 공기의 모양이 쉬지 않고 바뀐다는 점이 다릅니다.

그러면 적응광학이 할 일도 분명해집니다. 구겨진 파면을 다시 평평하게 펴는 것입니다. 미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 해설도 일부 망원경이 적응광학으로 빛의 파면을 "곧게 펴" 상의 분해능과 대비를 높인다고 적었습니다.

재고, 고치고, 다시 잰다

적응광학 장치는 세 부분으로 이루어집니다. 파면이 얼마나 구겨졌는지 재는 파면 센서(wavefront sensor, WFS), 모양을 바꿔 구김을 되돌리는 변형 거울(deformable mirror, DM), 그리고 측정값을 받아 거울의 어디를 얼마나 움직일지 정하는 제어 계산입니다.

파면 센서에는 지금 피라미드, 샤크-하트만, 곡률 센서 세 가지가 쓰입니다. 그 가운데 샤크-하트만 센서는 작은 렌즈 여러 개를 바둑판처럼 늘어놓은 것입니다. 렌즈마다 빛의 점이 하나씩 맺히고, 점이 놓인 자리는 그 작은 구역에서 파면이 얼마나 기울었는지를 알려 줍니다. 파면이 평평하면 점들이 고르게 늘어서고, 구겨진 곳에서는 점이 옆으로 비켜납니다.

변형 거울은 이름 그대로 모양이 바뀌는 거울입니다. 보통 얇은 거울 면 뒤에 여러 작동기(actuator)를 배열로 촘촘히 붙여, 작동기가 늘어나면 그 자리의 면이 휘게 만듭니다. 파면에서 앞서 온 부분과 처져 온 부분 사이의 길 차이를, 거울 면을 자리마다 조금씩 밀고 당겨 메우는 셈입니다.

세 부분은 한 번 고치고 끝내지 않고 고리를 이루어 돕니다. 거울이 모양을 바꾸면 그 빛을 다시 재고, 남은 어긋남을 또 고칩니다. 이런 방식을 되먹임 고리(feedback loop)라고 부릅니다. 공기가 쉬지 않고 바뀌니 고리도 쉬지 않고 돌아야 합니다.

잘 돌아가면 결과는 큽니다. ESO의 해설에 따르면 컴퓨터가 다루는 변형 거울은 대기 난류가 만든 일그러짐을 실시간으로 바로잡을 수 있고, 그러면 땅에서 얻은 상이 우주에서 찍은 상에 가깝게 또렷해집니다. 그래서 땅에서 달리 볼 수 있는 것보다 훨씬 어두운 천체의 더 고운 부분까지 볼 수 있습니다.

기준이 되는 별과 레이저 안내별

파면을 재려면 잴 빛이 있어야 합니다. 그 빛은 대기 위에서, 관측할 천체와 거의 같은 방향에서 와야 합니다. 그래서 천문대는 꽤 밝은 기준 별이 관측 대상 바로 가까이 있기를 바랍니다. 이 별빛으로 그 자리의 공기가 만든 흐림을 재고, 변형 거울이 그만큼 고칩니다.

문제는 그런 별이 밤하늘 어디에나 있지는 않다는 것입니다. 파면을 잴 빛이 모자라는 일이 아주 잦고, 충분히 밝은 자연 안내별(natural guide star, NGS)이 없는 경우도 많습니다.

천문학자들은 기준 별이 없으면 직접 만듭니다. 센 레이저 빔을 높은 대기로 쏘아 하늘에 작은 빛점을 띄우는데, 이것이 레이저 안내별(laser guide star, LGS)입니다. 짙은 대기에서 빛이 흩어지는 레일리 산란을 쓰면 고도 약 30 km까지, 높이 약 90 km에 모여 있는 나트륨 원자를 빛나게 하면 그 높이에 빛점이 생깁니다. 이 인공 별 덕분에 이제는 거의 온 하늘을 적응광학으로 볼 수 있습니다.

여기서 레이저는 하늘에 기준점을 찍는 관측 도구입니다. 천문대는 그 빛점에서 내려오는 빛으로 공기의 구김을 재고, 망원경이 보는 것은 여전히 그 뒤의 별과 은하입니다.

1953년의 생각이 장치가 되기까지

생각은 오래전에 나왔습니다. 1953년 미국 마운트 윌슨·팔로마 천문대의 천문학자 호러스 뱁콕(Horace Babcock)은, 거울의 모든 부분에서 빛줄기가 어긋나는 정도를 계속 재고 그 정보를 되먹여 거울 모양을 곳곳에서 고치면 흐림을 보상할 수 있으리라는 생각을 내놓았습니다. 지금의 되먹임 고리와 같은 생각입니다.

장치가 되기까지는 30년이 넘게 걸렸습니다. 그 사이 먼저 움직인 쪽은 군이었습니다. 리뷰 논문은 미군이 1970년대에 적응광학에 투자하기 시작해, 1982년 하와이 마우이섬 할레아칼라 산꼭대기의 1.6 m 망원경에 첫 실용 적응광학 체계를 들였다고 적습니다. NASA Spinoff 글도 이 기술이 1950년대에 천문 영상을 위해 제안되었고 1970년대에 미 공군이 개발했다고 소개합니다.

레이저 안내별도 비슷한 길을 걸었습니다. 레이저로 인공 광원을 만들자는 생각은 비밀 사업 속의 미군에서 먼저 나왔고, 몇 년 뒤인 1985년 천문학자들이 따로 같은 생각을 냈습니다.

천문학의 장치는 1980년대 말에 나왔습니다. 첫 천문용 적응광학 장치 COME-ON이 프랑스 오트프로방스 천문대의 1.52 m 망원경에서 시험된 뒤, 칠레 라 시야에 있는 ESO의 3.6 m 망원경에 설치되었습니다. 레이저 안내별을 쓰는 첫 천문용 장치는 1990년대 중반에 들어왔습니다.

이제 적응광학은 많은 천문대에서 표준 장비의 하나입니다. 하와이의 켁 천문대나 칠레의 ESO 같은 큰 지상 망원경이 대기의 일그러짐을 없애려고 이 기술에 기댑니다. 2019년의 한 리뷰는 적응광학의 할 일이 기본적으로 하나, 곧 대기 때문에 생기는 흐림 없이 망원경을 가장 높은 분해능으로 쓰게 하는 것이라고 정리했습니다. 30년의 경험이 쌓이면서, 새로 짓는 초대형 망원경은 그 장비까지 처음부터 회절 한계 관측을 하도록 설계됩니다.

천문학 밖으로: 레이저 빔을 고치는 데

파면을 재고 거울로 펴는 생각은 별빛에만 쓰이지 않습니다. 레이저 빔 자체가 구겨지기도 하기 때문입니다. 미국 국립점화시설(National Ignition Facility, NIF)의 레이저 빔은 증폭기를 지나며 유리와 광학 부품의 일그러짐 때문에 파면 수차를 쌓습니다. 설계하던 사람들이 찾은 답이 변형 거울이었습니다.

로렌스 리버모어 국립연구소는 컴퓨터가 다루는 이 거울을 NIF의 "안경"이라고 부릅니다. 거울은 면을 밀고 당겨, 남은 열 일그러짐, 완벽하지 않은 광학 재료와 면의 평탄도, 섬광등 가열에 따른 증폭기의 일그러짐에서 온 빔의 구김을 바로잡습니다. 빔마다 이렇게 고치면 표적에 더 작은 초점을 맺을 수 있고, 그만큼 전력 밀도가 높아지거나 초점을 더 잘 다스릴 수 있습니다. 여기서 고치는 것은 공기가 아니라 레이저 장치 안에서 생긴 구김입니다.

공기를 사이에 둔 레이저 통신도 같은 문제를 겪습니다. 보내는 쪽과 받는 쪽 사이 공기의 난류와 다른 방해 때문에 통신의 속도와 정확도가 제한됩니다. NASA Spinoff 글은 적응광학으로 이 일그러짐을 고치면 더 먼 거리에서 더 높은 데이터 속도를 얻을 수 있다는 것을 과학자들이 알아 가고 있다고 썼습니다.

적응광학은 우주 망원경에서 온도, 발사 충격, 무중력이 만든 일그러짐을 고치는 데도 쓰입니다. 그 글이 쓰일 때 시각 연구자들은 눈 조직이 만드는 흐림을 없애는 데 이 거울을 시험하고 있었습니다.

레이저 무기 쪽 공식 자료에도 같은 말이 나옵니다. 미 의회조사국(CRS) 보고서는 대기 난류가 레이저 빔의 초점을 흐트러뜨릴 수 있고, 관측한 난류에 맞춰 빔을 계속 빠르고 미세하게 고치는 적응광학이 그 효과를 상쇄할 수 있다고 설명합니다. 2014년 미 육군 기사는 먼 길의 대기 난류가 빔을 퍼지게 하고, 빔 제어 체계가 때로 복잡할 수 있는 적응광학으로 이 퍼짐을 바로잡아야 한다고 썼습니다.

천문대가 들어오는 별빛을 고친다면, 이 자료들이 말하는 레이저 무기의 적응광학은 내보내는 레이저 빔을 고칩니다. 같은 기사는 새 전기 레이저가 앞선 화학 레이저보다 파장이 훨씬 짧고 출력이 낮아, 성능의 부담이 빔 제어 체계 쪽으로 더 옮겨 갔다고 적었습니다. 레이저발진기가 바뀌면서 빔을 다듬는 쪽의 짐이 커진 것입니다.

아직 어려운 점

적응광학은 한 방향을 기준으로 고칩니다. 그래서 기준으로 잡은 방향에서 어느 각도까지만 고르게 잘 고쳐지고, 안내별 하나로 고치는 가장 단순한 방식은 그 둘레를 벗어나면 상이 다시 나빠집니다. 천문학에서는 이 좁은 시야가 큰 제약입니다.

파장도 걸립니다. 천문 적응광학에서는 짧은 파장일수록 성능을 내기 어렵고, 긴 파장에서 좋은 보정을 얻기가 훨씬 쉽습니다.

레이저 안내별에도 약점이 있습니다. 인공 별은 무한히 먼 별이 아니라 수십 킬로미터 높이에 떠 있어서, 거기서 내려온 빛은 원뿔 꼴로 좁아지며 난류층에서 망원경 구경 전체를 훑지 못합니다. 이 원뿔 효과는 구경이 클수록, 난류층이 높을수록 심해집니다.

또 레이저를 올려 보낼 때의 떨림이 측정에 섞이기 때문에, 파면 전체가 한쪽으로 기운 정도는 레이저 안내별로 잴 수 없습니다. 그래서 레이저 안내별을 쓰더라도 자연 안내별이 여전히 하나는 필요합니다.

적응광학이 모든 공기의 문제를 푸는 것도 아닙니다. 적응광학이 상쇄하는 것은 난류의 효과입니다. 같은 CRS 보고서는 그래도 레이저가 비나 안개 속에서는 잘, 또는 아예 작동하지 않을 수 있어 전천후 해법이 되지 못한다고 적었습니다.

만드는 일도 쉽지 않습니다. CRS가 옮긴 미 해군 예산 문서는 레이저 무기 빔 지향기(beam director)의 부품을 만드는 산업 기반을 키우는 과제를 설명하면서, 고속 조향 거울(fast steering mirror, FSM)과 변형 거울을 매우 중요하고 만들기 어려운 부품으로 꼽았습니다. 의회가 따져 볼 물음 목록에도 지향성 에너지 무기의 한계를 적응광학 같은 기술 발전으로 덜 수 있는지, 있다면 어떻게인지가 들어 있습니다.

별의 반짝임을 지우려던 생각은 이제 레이저 빔을 다듬는 데에도 쓰입니다. 그래도 공기는 여전히 공기입니다. 적응광학은 구겨진 파면을 펴 줄 수는 있지만, 빛이 지나는 길의 날씨까지 바꾸지는 못합니다.

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