자동차용 내비게이션 시스템이나 자율 주행 로봇들은 GPS(Global Positioning System)를 이용해 자신의 위치를 파악하고 다른 목적지로 이동할 수 있다. GPS는 정확한 위치가 알려져 있는 위성들로부터 지구로 전송되는 전파 신호를 수신하고, 신호를 수신하는데 걸린 시간을 측정해 수신기 위치를 추정한다.

다만 GPS는 지구 또는 지구 근처에 수신기가 있어야 위치를 확인할 수 있다는 한계를 지니고 있다. 그렇다면 우주 공간에선 위치를 어떻게 알 수 있을까. 우주선이 태양계를 넘어 심우주 공간을 여행하고, 미지의 행성에 착륙해 탐사 로봇을 내려보내 활동을 하려면 위치를 정확하게 파악해야한다.

‘IEEE 스펙트럼’에 따르면 미 NASA 등 기관은 우주 공간에서 적용할 수 있는 GPS 기술에 관해 오랫동안 연구를 진행해왔다. 여기서 GPS는 ‘Global Positioning System’의 약어가 아니라 ‘Galactic Positioning System‘을 의미한다. 굳이 번역한다면 은하계 또는 우주 위치측정시스템이라고 할수 있겠다. 일반적으로 쓰는 용어는 아니라고 한다.

▲ 이미지(NASA)

미 항공우주국(NASA) ‘NICER(NASA’s Neutron-star Interior Composition Explorer)‘ 프로젝트 수석 연구자인 ‘케이쓰 젠드로(Keith Gendreau)’는 올 초 미 워싱턴 DC에서 열린 미국천문학회 231차 모임에서 펄사(Pulsar)를 이용해 우주공간에서 위치를 확인할 수 있는 내비게이션 기술에 관해 시연했다. 펄사(Pulsar)는 짧고 규칙적인 신호를 보내는 전파 천체로, 강한 자기장을 갖고 빠른 속도로 회전하는 중성자별이다.

NASA는 현재 ‘SEXTANT(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology)’라는 실험을 진행하고 있는데 지난해 국제우주정거장(ISS)에 설치된 ‘NICER‘ 망원경을 이용해 밀리세컨드 X-레이 펄사 신호를 측정했다. NASA는 지난 1970년대부터 펄사에 주목했다. 중성자별에서 방출하는 전파 신호를 분석해 심우주공간에서 우주선이나 탐사 로봇 등의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 기술의 개발 가능성에 주목한 것이다.

펄사는 지난 1967년 처음으로 발견됐다. ‘조슬린 벨 버넬(Jocelyn Bell Burnell)’ 등 천문학자들은 전파 망원경을 이용해 우주 먼곳에서 오는 펄사 신호를 인지했다. 그들은 이 신호를 ‘LGM(Little Green Men)-1’이라고 칭했다. 지난 1974년 NASA제트추진연구소(JPL) 과학자인 ‘조지 S. 다운스(George S. Downs)’는 우주 내비게이션 시스템에 무선 펄사의 활용 가능성에 관해 처음으로 언급했다. 펄사 신호를 수신할 수 있는 무선 안테나를 이용해 150km이내의 정확도로 위치를 측정할 수 있다는 것이다.

지난 1981년 NASA 제트추진연구소는 무선 펄사대신 X-레이 펄사를 활용하는 방법을 제안했다. 이어 밀리세컨드 펄사(millisecond pulsars) 기술을 제안했다. 지난 1993년에는 밀리세컨드 X-레이 펄사 기술이 발견됐다. ‘ARGO’라는 위성에 X-레이 센서를 부착해 밀리세컨드 X-레이 펄사를 활용해 우주 위치측정 시스템을 시도했다. ARGOS 실험은 지난 1999년 이뤄졌다. 이후 미 해군연구소(U.S. Naval Research Laboratory), 매릴랜드대학 등도 밀리세컨드 X-레이 펄사를 이용한 우주 위치 측정시스템 연구를 진횅하고 있다.

NASA NICER 프로젝트팀 역시 그동안 연구한 X-레이 밀리세컨드 펄사 기술을 활용해 우주위치측정시스템에 관한 연구를 진행하고 있다. NASA는 NICER장치를 이용해 실시간으로 작업을 완수하는 것을 목표로 하고 있다고 한다. 지금은 측정에 많은 시간이 걸린다.

중국도 지난 2016년 11월 X-레이 펄사 내비게이션-1 위성을 런칭했다. 하지만 아직 충분한 수준의 실험 결과를 얻지 못한 것으로 알려졌다. 아직 신뢰도가 떨어진다.

NASA 등 기관이 추진하고 있는 펄사 신호를 활용한 위성 내비게이션 시스템 기술이 향후 실용화될수 있을지 주목된다.

용어 설명<펄사(Pulsar)>

펄사는 짧고 규칙적인 신호를 보내는 전파 천체로 강한 자기장을 갖고 빠른 속도로 회전하는 중성자별이다. 0.033∼3초의 값을 가진 일정주기로 펄스상(狀) 전파를 방사한다. 펄사는 자전하는 중성자별로, 질량은 태양과 같지만 지름은 약 10km로 매우 작다. 중성자별이 초고속으로 자전하기 때문에 펄스파를 방출한다. 전파의 빔은 자전할 때마다 관측자의 시선에서 빠르게 지나간다. 가끔 펄스파의 순간적인 변화도 관측되지만 일반적으로는 매우 규칙적으로 관측된다. 그리고, 펄스파는 회전에너지를 상실하면서 자전속도가 줄기 때문에 그 주기도 점점 커지게 된다. 일부 X선 펄사는 쌍성계인데 회전속도가 엄청나게 빨라 특별히 밀리세컨드 펄사로 부른다. (제공:지구과학사전)