중력이 가장 강한 지역(빨간색)과 가장 약한 지역(파란색)이 표시된 지구 중력 지도. / NASA

저궤도에서 지구 중력의 미세한 떨림을 감지할 수 있는 첨단 양자 센서가 개발되고 있다. 최초의 우주 기반 ‘양자 센서’는 미국 항공우주국 NASA 과학자들이 주도해 곧 첫선을 보일 예정이다.

NASA는 제트추진연구소(JPL)의 연구원들과 민간 기업, 학계 기관이 중력을 측정하기 위한 양자 센서를 개발하고 있다고 최근 밝혔다. 해당 프로젝트는 양자 센싱을 위한 첫번째 임무이며 석유 매장량부터 전 세계 담수 공급에 이르기까지 모든 것을 획기적으로 관측할 수 있는 길을 열어줄 것으로 기대된다.

중력의 미세한 변화는 물의 이동, 지각 활동, 암석의 이동에 의해 발생하며, 지구 표면 아래의 구조를 알려주는 단서가 된다. 지하 특징을 매핑해 주는 새로운 장치 '양자 중력 경사계 패스파인더(QGGPf)'는 항법, 자원 관리, 국가 안보에 중요한 데이터를 제공한다고 개발자들은 말했다.

스페이스닷컴에 따르면, 남부 캘리포니아에 있는 JPL 양자우주혁신센터 제이슨 히온 소장은 "우리는 원자를 이용해 히말라야의 질량을 측정할 수 있다"고 강조했다. JPL의 실험 물리학자인 셍웨이 치오우도 "원자를 사용하면 모든 측정이 동일하다"며 "새 장비는 환경적 영향에 덜 민감하다"고 덧붙였다.

QGGPf는 절대 영점 근처로 냉각된 루비듐 원자구름을 자유낙하시키고, 레이저로 원자를 분리·재결합하며 간섭 패턴을 분석해 중력을 정밀 측정한다. 원자 간섭계 기술은 기존 중력계보다 10배 이상 민감하다. 센서 크기는 소형 세탁기만 하며 무게는 125kg에 불과해 우주 임무에 적합하다.

연구자들은 이 기술을 더욱 정확하고 내구성 있게 만들기 위해 정밀 조정 중이다.  NASA는 새로운 센서를 2020년대 말에 우주에서 테스트할 계획이다.

NASA의 QGGPf는 기존 중력 측정 기술과 비교해 독창적이다. 우주 최초의 양자 중력 센서로, 원자 간섭계를 활용해 정밀하게 중력을 측정한다. JPL, 민간 기업, 학계의 협력으로 개발되는 QGGPf는 콤팩트한 설계로 발사 비용과 공간 제약을 줄였다. 자원 관리, 항법, 국가 안보에 기여하고, 히말라야 질량 측정이나 지하자원 탐사 같은 광범위한 지구 관측까지 가능케 한다.

QGGPf는 양자 기술의 우주 적용 가능성을 탐구하는 패스파인더로, 화성 등 행성 중력 매핑에도 활용될 것으로 기대를 모은다.