달 뒷면에 전파 망원경을 보내는 40년짜리 프로젝트, 드디어 발사 임박

달 뒷면에 전파 망원경을 보내는 이유

• 40년간 달 기반 전파 망원경을 밀어온 천문학자 Jack Burns의 이야기임. 1984년에 "달에 망원경? 미쳤나?"라고 했던 사람이 NASA 자문, 백악관 어드바이저를 거치면서 10명의 NASA 국장과 7명의 대통령 임기를 관통하며 로비한 끝에 드디어 발사가 코앞임

• 핵심 장비는 LuSEE-Night(Lunar Surface Electromagnetics Experiment–Night). SpaceX 로켓에 실려서 Firefly Aerospace의 Blue Ghost Mission 2 착륙선 위에 올라가 달 뒷면에 착륙할 예정임

• 왜 하필 달 뒷면이냐면 — 태양계 내행성권에서 전자기적으로 가장 조용한 곳이기 때문임. 지구의 통신망, 전력망, 레이더 간섭이 없고, 달의 밤이 오면 태양도 달 본체에 가려져서 최대 14일 동안 태양풍(solar wind)까지 차단됨. 칼텍의 Gregg Hallinan 표현으로는 "태양풍이 옆으로 지나가면서 소음을 피할 수 있는 동굴 같은 곳"이라는 거임

• Burns가 관심 있는 건 우주 암흑 시대(cosmic dark ages) — 빅뱅 후 약 38만 년 뒤, 중성 수소가 형성되면서 별빛을 가두어 2~4억 년간 지속된 시기임. 이 시기의 잔류 전파 신호는 극도로 약하고, 우주 팽창에 의해 적색편이(redshift)되어 원래 21cm 파장이 수십 미터로 늘어남. 50MHz 이하 주파수를 들어야 하는데 이게 지구 전리층에 막혀서 지구에선 관측 불가능함

LuSEE-Night의 구조

• 6미터짜리 베릴륨 구리 합금 다이폴 안테나 2개가 X자 형태로 턴테이블 위에 올라감. 턴테이블은 안테나를 회전시켜서 신호 방향을 구분하기 위한 것 — 우주 암흑 시대 신호는 등방적(isotropic)이고, 가까운 은하 신호는 방향성이 있으니까 안테나를 돌려가며 수집하면 구분이 가능함

• 핵심 장비인 분광기(spectrometer)가 초당 1억 240만 샘플로 신호를 읽음. 이렇게 높은 샘플레이트는 미약한 신호 증폭 과정에서 오류가 커지는 걸 방지하기 위한 것. 암흑 시대 시그니처는 다른 수신 신호보다 5~6자릿수 약할 것으로 예상됨

• 전체 발사 중량 108kg인데 그중 배터리 팩만 38kg(7,160Wh). 대부분 달의 밤에 전자장비가 얼지 않게 열을 내는 데 쓰임. 달 표면은 온도차가 250°C에 달해서 낮에는 다층 방사 패널로 열을 쏘아내고, 밤에는 리튬이온 배터리로 버티는 구조. 배터리 잔량이 8% 아래로 떨어지지 않게 분광기를 주기적으로 끔 — 관측 시간을 좀 잃더라도 장비를 살리는 게 낫다는 판단

실패의 역사, 그리고 다음 기회

• 2024년 Burns가 참여한 ROLSES-1 실험이 Intuitive Machines의 Odysseus 착륙선에 실려 달에 갔는데, 착륙 충격으로 다리가 부러지면서 거의 옆으로 누워버림. 1주일치 데이터 대신 2시간 분량만 건졌는데, 대학원생 Joshua Hibbard가 원시 데이터에서 지구와 은하수 신호를 추출해내서 장비가 작동했음을 증명함

• 2019년 중국 창어 4호가 최초로 달 뒷면에 착륙해서 저주파 분광기를 실었지만, 우주선 자체의 전자기 간섭(RFI) 때문에 의미 있는 결과를 못 냈음. 이게 민감한 관측 장비의 고질적 문제임

• Burns는 "다시는 첫 번째 착륙선에 타고 싶지 않다, 두 번째가 되고 싶다"고 했는데, Blue Ghost 1이 2025년 3월에 민간 최초 달 착륙에 성공했으니 Blue Ghost 2에 대한 기대감은 높은 상황

더 먼 미래 — FarView 배열 망원경

• LuSEE-Night가 성공하면 다음 목표는 FarView — 달 표면 200km²에 10만 개 안테나 노드를 펼치는 간섭계 배열 망원경임. 안테나 재료는 달 토양에서 추출한 알루미늄. 2030년대 조립 시작이 목표지만 예산과 정치 현실이 걸림돌

• Burns의 소감이 인상적임: "40년 걸릴 줄은 아무도 몰랐다. 하지만 과학에 보장은 없다. 그래도 봐야 한다(We need to look)."

• 역사적 맥락도 재밌는데 — 1928년 벨 연구소의 Karl Jansky가 전화 잡음 원인을 찾다가 우연히 은하 중심의 전파를 발견해서 전파천문학을 열었고, 1965년 같은 벨 연구소의 Penzias와 Wilson이 안테나 잡음을 없애려다가 우주 마이크로파 배경복사(CMB)를 발견함. Burns 팀은 이들의 후계자 격으로, CMB 속에 숨겨진 암흑 시대의 미세한 흡수 흔적을 찾으려는 거임