[스페이스]우주선의 시간은 '원자시계'가 알려준다

목성 탐사선인 주노(JUNO)가 목성 근처에서 임무를 수행하고 있는 모습. [사진출처=NASA]

[아시아경제 김종화 기자]항공기와 관제탑이 서로 시간이 다르다면 어떻게 될까요? 비행기의 이착륙 자체가 불가능해지지 않을까요? 그래서 사람과 열차, 항공기 등 전 세계 모두가 똑같은 시간을 사용합니다. 이 시간이 표준시입니다.

표준시는 시간의 최소 단위인 초를 국제표준으로 정한 것인데 1967년부터 다른 물질보다 진동수가 일정한 세슘 원소의 진동수(91억9263만1770번)를 1초로 정의했습니다. 미항공우주국(NASA) GPS 위성의 세슘 원자시계는 3000만 년에 1초, 중국이 지난해 개발한 루비듐 원자시계는 10억 년에 1초 정도의 오차가 생깁니다.

일상에서 1초 차는 아무런 문제가 없겠지만 올림픽 등 스포츠 경기에서 기록을 집계하거나 휴대폰과 신호를 주고받는 기지국, 초 단위로 금융거래가 이뤄지는 금융권, 정밀 기계를 작동하는 공장 등에서는 아주 정확한 시간을 사용해야 합니다.

지금 우리가 쥐고 있는 핸드폰도 NASA GPS 위성의 세슘 원자시계가 보내주는 3000만 년에 1초의 정밀한 시간을 실시간으로 받고 있습니다. 지난해 중국이 개발한 루비듐 원자시계가 상용화된다면 더 정밀한 시간을 사용할 수 있겠지요.

우주 공간에서의 시간은 어떨까요? 초속 8㎞의 총알보다 빠른 속도로 지구를 도는 지구관측 위성이 지상 기지국과 시간이 다르다면 어떻게 될까요? 원하는 곳의 위성사진을 정확하게 촬영할 수 없는 것은 물론 정확한 궤도로 비행하지 못해 다른 인공위성 등과 충돌하는 초대형 사고가 일어날 수도 있습니다.

인공위성에는 컴퓨터의 시간과 맞춘 디지털시계가 있는데 우주 공간에서는 큰 온도차, 방사능 물질 등의 영향을 받아 지구에서 보다 시간적 오차가 더 커집니다. 이런 시간적 오차는 가까운 거리(?)를 도는 인공위성의 경우 미국 GPS 위성의 세슘 우주 원자시계의 정보를 실시간으로 전달받아 즉시 고칩니다.

반면, 지구 궤도를 벗어나 초속 수십㎞의 속도로 먼 우주를 항해하는 우주 탐사선은 GPS위성이 보내는 세슘 우주 원자시계의 정보를 제대로 받을 수 없습니다.

미항공우주국(NASA)이 개발한 원자시계.[사진출처=NASA]

실제 미항공우주국(NASA)의 무인탐사선 주노(Juno)가 목성의 궤도에 진입할 당시 지구와 목성의 거리가 8억7000만㎞로 지구에서 명령을 보내면 주노에 도달하기까지 48분이 걸렸기 때문에 자동조종으로 주노를 제어했습니다.

48분 동안 주노는 7만㎞ 이상을 날아갈 수 있기 때문에 목표시간에 정확히 속도를 줄이거나 가속해야 합니다. 원격조종이 불가능한 상황인 만큼 매우 정밀한 원자시계를 통해 스스로 주노가 스스로 판단하도록 한 것입니다.

주노의 경우처럼 우주 탐사선에는 원자시계가 실려 있습니다. 다만, 지상에서 사용하는 원자시계의 크기가 냉장고만큼 커 작은 탐사선에 싣는데 문제가 있었지만 과학자들의 노력으로 토스터기 크기로 원자시계의 크기를 줄이는데 성공했습니다.

한국항공우주연구원 관계자는 "각종 방사능 물질과 기온차 등으로 우주공간에서는 지구에서보다 시각 차기 더 크게 나타난다"면서 "이런 오차를 줄여주는 역할을 세슘 원자시계가 해왔다. 루비듐 원자시계를 활용하기까지는 시간이 다소 걸릴 것"이라고 말했습니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr