NAIR-APREXIS: Enabling photonics-based instruments for long-baseline interferometry and integral-field spectroscopy

천문학자들은 망원경이 분해할 수 있는 한계를 넓히며, 더 선명한 눈으로 우주를 보기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다. 이를 위해 그들은 종종 여러 망원경에서 오는 빛을 결합하는 기술인 간섭계(interferometry)를 사용하며, 이는 마치 하나의 거대한 거울처럼 작동합니다. 그러나 이 기술을 수행하는 전통적인 방식은 크고 무거우며, 완벽하게 정렬하기 어렵고, 경로를 따라 빛을 손실하기 쉬운 육중한 유리 렌즈와 거울에 의존합니다. 최근 몇 년 사이, 빛을 넓은 표면을 튕겨 나가는 빔이 아니라 유리 안에 직접 새겨진 아주 작은 미세 채널을 통해 이동하는 신호로 취급하는 새로운 접근 방식이 등장했습니다. '아스트로포토닉스(astrophotonics)'라고 알려진 이 분야는 복잡한 기구들을 칩 크기로 축소할 것을 약속하며, 더 큰 안정성과 정밀함을 제공합니다. 과제는 이러한 섬세하고 미세한 구조물들이 실제 천문대라는 가혹한 환경에서 살아남아 거대하고 전통적인 대응물만큼 잘 수행될 수 있음을 증명하는 것이었습니다.

NAIR-APREXIS 프로젝트의 연구진은 이 미세한 접근 방식이 실전에 투입될 준비가 되었다는 강력한 증거를 제시했습니다. 그들은 강력한 레이저로 유리 블록 내부에 아주 작은 빛 유도 경로를 직접 쓰는 '초고속 레이저 식각(ultrafast laser inscription)' 기술을 사용하여 여러 새로운 유형의 기기를 성공적으로 제작하고 테스트했습니다. 그들의 연구는 이 유리 칩들이 먼 별로부터 오는 빛을 극도로 정밀하게 결합할 수 있을 뿐만 아니라, 망원경의 빛을 재구성하여 행성과 별의 상세한 지도를 만들 수 있음을 보여줍니다. 연구팀은 이미 캘리포니아의 실제 망원경들에서 이 장치들을 테스트했으며, 2027년에는 칠레에서 새로운 시스템을 테스트할 준비를 하고 있습니다. 이러한 테스트들은 이 작은 도구들이 희미한 별빛을 높은 효율로 포착할 수 있으며, 장기간 안정적으로 유지될 수 있음을 보여주어, 작고 고성능인 차세대 천문 기구의 길을 열어주고 있습니다.

이 프로젝트의 첫 번째 주요 성공은 두 망원경의 빛을 결합하여 별의 밝기와 모양을 측정하도록 설계된 장치의 개발이었습니다. 연구진은 우주의 차가운 천체를 연구하는 데 사용되는 적외선에 투명한 '인프라실(Infrasil)'이라는 특수 유리를 사용하여 이 기기를 제작했습니다. 그들은 레이저 기술을 사용하여 유리 내부에 미세한 채널 네트워크를 새겨 별빛을 나누고 다시 결합했습니다. 캘리포니아의 여섯 대의 망원경 집합체인 CHARA 어레이에서 이 장치를 테스트했을 때, 결과는 인상적이었습니다. 이 기기는 관측 시간 내내 성능을 유지하며 놀라운 안정성을 입증했습니다. 이 장치는 천체의 간섭 패턴을 1%의 정밀도로 측정해 냈는데, 이는 진지한 과학적 발견에 필요한 정확도 수준입니다. 더욱 중요한 것은, 이 장치가 효율적이어서 40% 이상의 별빛을 검출기까지 통과시켰으며, 빛을 안정화하기 위한 추가 장비 없이도 등급 5의 밝기까지 가진 별을 감지할 수 있었다는 점입니다. 이 성공은 작은 고체 유리 블록이 복잡하고 육중한 광학 시스템을 대체하면서도 더 우수한 안정성을 전달할 수 있음을 보여주었습니다.

단순히 빛을 결합하는 것을 넘어, 연구팀은 별이나 행성의 흐릿한 이미지를 빛과 색의 상세한 지도로 바꾸는 능력인 '적분 필드 분광(integral field spectroscopy)'을 구현하는 도구들도 개발하고 있습니다. 이를 달성하기 위해 그들은 하늘의 서로 다른 부분에서 빛을 포착하는 개별 픽셀 역할을 하는 100개 이상의 미세한 코어를 포함하는 새로운 종류의 광섬유 케이블을 만들고 있습니다. 이러한 설계의 주요 장애물은 한 코어의 빛이 이웃한 코어로 새어 나가 이미지를 흐리게 만드는 것입니다. 코어의 크기를 약간씩 다르게 하는 이질적 설계를 사용함으로써, 연구진은 빛의 교차 누설을 1,000분의 1 미만 수준으로 억제하는 데 성공했습니다. 그들은 현재 이 코어들을 일렬로 재배열하여 분광기에 공급하는 레이저 식각 장치를 포함한 완전한 시스템을 구축하고 있습니다. 이 시스템은 2027년 칠레의 망원경에서 테스트될 예정이며, 천문학자들이 다른 별을 공전하는 행성을 탐지하고 연구하는 것을 돕는 것을 목표로 합니다.

프로젝트는 또한 기구 자체를 더욱 작고 통합된 형태로 만드는 방법도 탐구했습니다. 연구진은 '이광자 중합(two-photon polymerization)' 공정을 사용하여 광섬유 케이블의 끝단에 직접 작은 3차원 광학 부품들을 인쇄했습니다. 이 부품들은 빛을 색깔별로 나누어 천체의 화학적 구성을 분석하는 미니 분광기 역할을 합니다. 각 장치는 크기가 1밀리미터 미만이지만, 단일 고체 재료 내에서 빛을 확장하고, 평행하게 만들며, 분산시키는 모든 과정을 수행합니다. 실험실 테스트에서 이 작은 분광기들은 약 30의 분해능을 달성했는데, 이는 서로 인접한 색들을 구별할 수 있음을 의미하며, 80% 이상의 빛을 투과시켰습니다. 이러한 수준의 통합은 미래의 기구들이 매우 가벼워지고, 광학 부품들이 영구적으로 융합되어 있어 정렬이 필요 없을 것임을 시사합니다.

또 다른 혁신적인 발전은 망원경의 시야 품질을 측정하는 데 사용되는 작은 피라미드 형태의 센서의 제작입니다. 전통적으로 이러한 피라미드는 유리로 만들어지며, 완벽하게 날카로운 모서리를 얻기 위해 비싸고 어려운 연마 과정이 필요합니다. 연구팀은 3D 광학 프린팅을 사용하여 불과 몇 밀리미터 너비의 피라미드를 제작했습니다. 그들의 측정 결과, 인쇄된 피라미드들은 전통적인 방식으로 만들어진 유리 피라미드의 표면 매끄러움과 모서리 날카로움에 필적하거나 오히려 능가하는 것으로 나타났습니다. 크기가 매우 작기 때문에, 이들은 또한 천문학자들이 대기 난류를 측정하는 방식을 개선할 수 있는 독특한 형태의 필터링 기능을 제공합니다. 적응 제어 광학(adaptive optics) 테스트베드에서의 초기 테스트는 인쇄된 센서들이 예측대로 작동함을 확인해주었으며, 이는 미래의 망원경을 위한 더 저렴하고 다용도인 파면 센서(wavefront sensors)의 가능성을 열어주었습니다.

이 기술의 가장 중요한 검증은 라지 바이노큘러 망원경(Large Binocular Telescope)에 설치된 센서에 대한 장기 연구로부터 나왔습니다. 빛을 광섬유로 집중시키는 데 도움을 주는 작은 인쇄 렌즈 링을 사용하는 이 센서는 실제 환경에서 6년 동안 작동해 왔습니다. 이 기간 동안 센서는 온도 변화, 습도, 진동, 그리고 망원경의 지속적인 움직임에 노출되었습니다. 이러한 가혹한 조건에도 불구하고, 센서는 성능 저하나 드리프트 현상 없이 완벽하게 작동을 계속했습니다. 이 6년간의 기록은 3D 프린팅된 광학 부품들이 요구되는 환경에서 오랫동안 견딜 만큼 견고하다는 것을 증명합니다. 이는 이 기술이 단순히 실험실의 호기기(curiosity)가 아니라, 더 작고 안정적이며 전례 없는 명확함으로 우주를 드러낼 수 있는 미래의 천문 기구를 위한 실행 가능한 솔루션임을 확증해 줍니다.