□ 한국천문연구원(이하 천문연)은 일본국립천문대(이하 NAOJ)와 공동으로 세계 최대 전파간섭계 망원경 ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)용 새로운 분광기 개발을 시작합니다. 

   ※ 분광기: 분광기는 망원경이 수신한 전파 정보를 주파수에 따른 전파의 강도로 표현된 스펙트럼으로 변환하는 장치 

□ 지난 4월 ALMA 이사회는 일본이 ALMA 망원경용으로 설계하고 개발했던 모리타 어레이(the Morita Array)를 위한 새로운 분광기 TPGS(Total Power GPU Spectrometer)의 개발을 승인했습니다. 이 분광기 개발을 천문연과 NAOJ가 공동으로 수행할 계획입니다. 

세계 최대 전파간섭계 망원경 ALMA의 모리타 어레이 안테나 그룹 (출처: Morita Array ALMA)

□ 해당 한-일 공동 연구팀은 과거 아타카마 컴팩트 어레이(이하 ACA, Atacama Compact Array)라고 하는 유사한 분광기 제작에 성공한 적이 있습니다. ACA 분광기는 2022년 2월 22일에 첫 관측(First Light)에 성공, 이듬해 10월부터 본격적인 관측에 돌입했으며, 올해에는 NAOJ 기관장상(NAOJ Director General’s Award)을 수상하기도 했습니다.

□ 이 ACA 분광기 공동 개발의 경험과 기술을 바탕으로 새로운 TPGS 개발이 추진되는 것입니다. TPGS가 개발되면 기존 ACA 분광기를 대체하게 됩니다. 

□ TPGS는 ALMA 전체 업그레이드 프로그램(이하 WSU, Wideband Sensitivity Upgrade) 중 동아시아 ALMA가 기여한 주요 성과 중 하나입니다. 이 성능 향상 프로그램을 통해 수신기의 중간 주파수 대역폭이 최소 2배 이상 확장되고, 상관기 및 분광기를 포함한 관련 장치 및 소프트웨어가 향상될 예정입니다. 

□ 구체적으로 분광기의 경우, 기존 ACA 분광기에 비해 새로운 TPGS는 안테나에서 수집되는 데이터 입력 속도가 10배 증가하며, 최대 상관 대역폭을 4배 더 높이며, 분광 분해능도 16배 더 정밀하게 향상됩니다. 

□ TPGS 프로젝트의 한국측 과제책임자인 천문연 김종수 책임연구원은 "TPGS는 최첨단 그래픽 처리 장치들(이하 GPUs)을 사용해 데이터 처리 능력을 향상시키고, 새롭게 떠오르는 400GbE 기술을 활용해 안테나에서 디지털화된 데이터를 GPU 메모리로 직접 전송함으로써 데이터 수집 성능을 개선할 것이다”며 “매우 성공적이었던 ACA 분광기의 기존 소프트웨어 재사용을 극대화해 신속하게 개발하고 원활하게 연동할 것이다”고 밝혔습니다. 

□ 공동 연구팀은 이미 2024년 11월에 개념설계검토(CoDR, Conceptual Design Review) 및 체계요구조건검토 (SRR, Subsystem Requirements Review)를 통과했습니다. 이제 개발팀은 2026년 초로 예정된 기본설계검토(PDR, Preliminary Design Review)를 위한 작업을 수행하고 있습니다.

□ 한편, 총 66개의 ALMA 안테나 중 일본이 개발한 16개의 안테나는 ‘모리타 어레이’라는 별명을 가진 아타카마 콤팩트 어레이(ACA)를 구성하고 있습니다. ACA는 총 16개의 안테나로 이루어져 있습니다. 이 중 12개는 7미터 크기의 안테나이고, 나머지 4개는 12미터 크기의 안테나입니다. 12미터 안테나 4개는 따로 '토탈 파워 어레이(Total Power(TP) Array)'이라는 이름으로 불립니다. ACA는 우주 공간에 넓게 퍼져 있는 가스나 천체들, 그리고 우주의 큰 구조물에서 나오는 전파 신호를 정밀하게 관측할 수 있습니다.

□ 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 어레이(이하 ALMA, The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)는 국제 천문 시설로, 유럽남방천문대(이하 ESO, the European Organization for Astronomical Research in the Southern Hemisphere), 미국 국립과학재단(이하 NSF, the U.S. National Science Foundation) 및 일본 자연과학연구기구(이하 NINS, the U.S. National Science Foundation)가 칠레 공화국과 협력하여 운영하는 공동 사업입니다. ALMA는 회원국들을 대표하는 ESO, 캐나다 국립연구위원회(NRC, the National Research Council of Canada)와 대만 국가과학기술위원회(NSTC, the National Science and Technology Council)와 협력하는 NSF, 그리고 대만 중앙연구원(AS, the Academia Sinica)과 한국천문연구원과 협력하는 NINS에 의해 자금 지원을 받고 있습니다. ALMA의 건설과 운영은 회원국들을 대표하는 ESO, 북미를 대표하여 연합대학법인(AUI, Associated Universities, Inc.)이 관리하는 국립전파천문대(NRAO, the National Radio Astronomy Observatory), 그리고 동아시아를 대표하는 NAOJ가 주도하고 있습니다. 공동 ALMA 천문대(JAO, The Joint ALMA Observatory)는 ALMA의 건설, 시운전 및 운영에 대하여 통합적으로 이끌고 관리합니다.

□ 한국천문연구원은 2012년 일본국립천문대(NAOJ)와 ALMA 협력에 대한 협약을 맺고 2013년부터 사용이 가능하게 됐습니다. 2014년 8월에는 일본자연과학연구기구(NINS)와 ALMA 운영 및 개발에 관한 협약을 맺어 동아시아 ALMA 컨소시엄에 일본 등에 이어 공식적으로 참여하고 있습니다.