3 테라헤르츠에서 마이크로헤르츠(으)로 변환

테라헤르츠(THz)에 대하여

테라헤르츠는 1 조 헤르츠에 해당하는 진동수 단위입니다. 기호는 THz 입니다. 가장 높은 전파와 가장 낮은 적외선 사이의 틈을 차지하며, 이 영역은 20 세기의 대부분 동안 만들기도 잡아내기도 어려워 테라헤르츠 간극이라 불렸습니다.

어려움은 이론이 아니라 실제의 것이었습니다. 전자식 발진기는 수백 기가헤르츠를 넘으면 힘이 다합니다. 전하를 나르는 알갱이가 충분히 빨리 응하지 못하기 때문입니다. 한편 레이저 같은 빛의 원천은 적외선 아래에서 효율이 떨어집니다. 그 사이의 대역에는 어느 쪽에도 편한 기술이 없었고, 수십 년 동안 전자기파 띠에서 가장 덜 살펴본 부분으로 남았습니다.

이를 바꾼 것은 초고속 레이저와 광전도 안테나입니다. 몇 펨토초밖에 이어지지 않는 레이저 펄스를 반도체에 쬐어 테라헤르츠 펄스를 만들어 냅니다. 이제 테라헤르츠 시간영역 분광법이 이 대역 전체에 걸친 물질의 응답을 재며, 이 방법은 재료 과학의 표준 도구가 되었습니다.

가장 잘 알려진 쓰임은 보안 검색입니다. 테라헤르츠 복사는 옷과 종이와 플라스틱과 도자기를 지나가지만 금속에는 막히고 물에는 흡수됩니다. 게다가 광자 하나의 에너지가 무언가를 이온화하기에는 너무 작아서, 엑스선과 같은 위험 없이 숨겨진 물건을 비추어 낼 수 있습니다. 공항의 몸 검색 장치가 이 원리로 움직입니다.

분자 분광학이 이 대역을 쓰는 까닭은 큰 분자들이 여기에 회전과 진동의 상태를 지니기 때문입니다. 폭발물과 약물은 테라헤르츠의 특징적인 지문을 보이고, 이 방법은 제약의 품질 관리에서 다른 방법으로는 똑같아 보이는 결정형을 가려내는 데 쓰입니다. 미술품 보존은 화폭에 손대지 않고 물감 층 아래를 보려고 이를 씁니다.

천문학은 높고 마른 곳이나 궤도 위에서 이 주파수를 관측합니다. 대기 속 수증기가 테라헤르츠 복사를 세게 빨아들이기 때문입니다. 별이 태어나는 영역의 찬 티끌과 분자 기체가 여기서 빛을 내며, 칠레의 높은 땅과 남극점에 관측소가 세워지는 까닭이 여기 있습니다.

통신 연구가 이 띠로 들어서기 시작했습니다. 자료 속도는 쓸 수 있는 대역폭과 함께 늘고, 100 기가헤르츠 위에는 그 아래보다 훨씬 넓은 자리가 있습니다. 그래서 실험실은 1 테라헤르츠에 가까운 진동수에서 초당 몇백 기가비트를 나르는 무선 연결을 보여 왔습니다. 걸림돌은 물의 김이 이 물결을 세게 빨아들인다는 점입니다. 맑은 공기에서도 몇백 미터, 비가 오면 훨씬 짧은 거리로 연결이 묶입니다. 그것이 이 기술을 짧은 도약에 가둡니다. 옥상 안테나 사이의 이음, 자료 중심 안쪽의 연결, 또는 가로등에서 건물까지의 마지막 구간이지, 방송을 닮은 무엇이 아닙니다.

1 테라헤르츠는 1 조 헤르츠, 1000 기가헤르츠, 약 0.3 밀리미터의 파장과 같습니다.

마이크로헤르츠(µHz)에 대하여

마이크로헤르츠는 1 헤르츠의 100 만분의 1 에 해당하는 진동수 단위입니다. 기호는 µHz 입니다. 1 마이크로헤르츠는 100 만 초에 한 번, 곧 열하루 반 남짓에 한 번 되풀이되는 것이어서, 이 단위는 몇 주와 몇 달과 몇 해의 눈금에서 되풀이되는 현상을 잽니다.

가장 널리 쓰이는 곳은 별 진동학입니다. 항성은 떨리며, 그 떨림의 진동수는 종소리의 높이가 모양과 두께로 정해지듯 별 속의 짜임에 따라 정해집니다. 해를 닮은 항성은 수천 마이크로헤르츠로 울고, 적색거성은 수십 마이크로헤르츠, 가장 크게 진화한 별은 1 아래에서 웁니다. 케플러와 TESS 같은 우주망원경은 밝기가 100 만분의 몇만큼 흔들리는 것을 지켜보며 수십만 항성의 이 진동수를 쟀습니다.

이 방법은 다른 어떤 수단으로도 얻을 수 없는 양을 내줍니다. 진동의 스펙트럼에서 천문학자는 항성의 질량과 반지름과 나이를 끌어낼 수 있습니다. 항성의 나이는 그 밖의 방법으로는 거의 정할 수 없습니다. 행성을 거느린 항성의, 따라서 그 행성계의 나이가 오늘날 이렇게 정해집니다.

중력파 천문학도 이 대역을 탐냅니다. 계획 중인 우주 중력파 관측소 LISA 는 약 100 마이크로헤르츠에서 1 헤르츠 사이에서 민감할 예정입니다. 이 범위에는 합쳐지는 초대질량 블랙홀과, 우리 은하에 있는 수천에 이르는 가까이 붙은 백색왜성 쌍성이 들어 있습니다. 땅 위의 검출기는 이 주파수에 닿지 못합니다. 땅의 잡음에 삼켜지기 때문입니다.

지구물리학은 가장 느린 분조에 이 단위를 씁니다. 보름 주기와 한 달 주기의 달 조석, 반년 주기와 한 해 주기의 해 조석이 그것이며, 함께 긴 주기의 변동을 낳아 조석 예보가 이를 셈에 넣어야 합니다. 지구 자전축의 흔들림인 극운동은 열넉 달의 주기를 지니며 이는 약 0.8 마이크로헤르츠에 해당합니다.

기후와 바다의 과학은 더 낮은 데까지 미칩니다. 엘니뇨 남방진동은 두 해에서 일곱 해마다 불규칙하게 돌아오는데, 이는 0.01 마이크로헤르츠에 한참 못 미칩니다. 긴 빙하 시추 기록은 그보다 더 느린 주기까지 풀어냅니다.

지구 자체가 교과서 같은 보기를 줍니다. 그 자전축은 약 433 일 주기로 작은 원을 떠돕니다. 1891 년에 밝혀진 챈들러 흔들림이며, 진동수로는 약 0.027 마이크로헤르츠입니다. 이를 잡아내는 데는 몇십 해의 위치 천문 작업이 들었습니다. 이토록 느린 신호는 여러 주기를 살펴야 비로소 서서히 어긋나는 흐름과 갈라지기 때문입니다. 그것이 이 띠의 일반적인 제약입니다. 1 마이크로헤르츠에서의 잼에는 적어도 몇백만 초, 되도록 몇천만 초의 기록이 필요하며, 장치는 그 자료를 읽을 수 있게 될 때까지 몇 해씩 흔들림 없어야 합니다. 그러니 이 단위는 빠른 학문이 아니라 참을성 있는 학문의 것입니다.

1 마이크로헤르츠는 0.000001 헤르츠, 100 만 초에 1 사이클, 1000 나노헤르츠와 같습니다.