고구마처럼 생긴 소행성 모습, 어떻게 구할까(下)
고구마처럼 생긴 소행성 모습, 어떻게 구할까(下)
  • 김명진 | 우주위험감시센터
  • 승인 2020.10.04 23:20
  • 조회수 447
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소행성의 형상을 구하는 또 다른 방법은 앞에서 두 차례 설명한 방법들을 서로 조합한 방식이다. 예컨대 대형망원경의 적응광학계 관측 자료와 광도곡선 역산법을 함께 이용하거나, 전파망원경 레이다 관측 자료와 광도곡선 역산법의 결과를 함께 활용하는 것이다. 여기에서는 가장 대표적인 두 가지 프로그램(KOALA, ADAM)을 소개하고자 한다.

 

먼저 코알라(KOALA: Knitted Occultation, Adaptive-optics, and Lightcurve Analysis)라는 귀여운 이름을 가진 프로그램은 프랑스의 파리천문대의 브누와 캐리(Benoit Carry) 박사가 2009년도에 발표한 그의 박사학위 논문에서 처음 소개되었다.1) 풀어 쓴 프로그램 이름에서도 알 수 있듯이 코알라 방법은 엄폐현상, 적응광학계와 광도곡선 이렇게 3가지 관측 자료를 결합하여 소행성의 형상 모델을 구하는 방법이다.

코알라(KOALA) 프로그램 설명 자료. 출처: Benoit Carry 박사 홈페이지, http://benoit.carry.free.fr/index.php
코알라(KOALA) 프로그램 설명 자료. 출처: Benoit Carry 박사 홈페이지.

이 방법은 우선 <고구마처럼 생긴 소행성 모습, 어떻게 구할까(中)>에서 설명한 광도곡선 역산법을 이용하여 볼록한 다면체(convex) 소행성 모델을 구한 후 해당 소행성을 대형망원경의 적응 광학으로 관측을 실시한다. 이렇게 되면 특정 시점(epoch)에서 획득한 소행성의 단면적에 관한 정보를 얻을 수 있게 되는데 이를 3D 형상 모델에 반영하면 오목한 형상(concave)의 모델 정보도 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 해당 소행성의 엄폐(occultation) 관측 자료도 있으면 소행성 형상 모델을 하는데 필요한 기준(reference)이 추가되는 것이다. 아래 사진은 코알라(KOALA) 프로그램을 이용하여 소행성 루테티아(Lutetia)의 형상 모델을 구한 것(오른쪽)과 실제 유럽우주국(ESA)의 혜성 탐사선인 로제타(Rosetta) 탐사선이 혜성으로 가는 도중 촬영한 소행성 루테티아(Lutetia)의 영상자료(왼쪽)이다. 이 놀라운 자료는 지난 2010년 10월 미국 캘리포니아 파사데나(Pasadena)에서 열린 미국천문학회 산하 행성과학분과(DPS: Division for Planetary Sciences) 제 42회 정기회의에서 보도자료로 배포되었다.2) 

소행성 루테티아(Lutetia)의 형상 모델(오른쪽)과 실제 탐사선 촬영 영상(왼쪽) 비교. 출처: SOUTHWEST 연구소
소행성 루테티아(Lutetia)의 형상 모델(오른쪽)과 실제 탐사선 촬영 영상(왼쪽) 비교. 출처: SOUTHWEST 연구소

수많은 언론을 통해 외부에 공개된 이 사진은 행성과학자들 뿐만 아니라 많은 사람들에게 큰 놀라움을 선사했다. 지상기반의 관측 자료만을 가지고도 실제 소행성 탐사선이 촬영한 것과 매우 비슷한 모습을 구현해 낸 것에 놀랐을 뿐만 아니라 그 전까지 많은 사람들이 그 유효성에 있어서 의문을 갖고 있던 광도곡선 역산법(참고: 고구마처럼 생긴 소행성 모습, 어떻게 구할까(中))이 실제로 정확하게 소행성의 형상을 구현한다는 것을 입증하는 중요한 연구 결과였기 때문이다. 이후 광도곡선 역산법을 활용한 소행성의 형상 모델 결과는 신뢰성을 가지고 많은 연구에 활용되었으며 지상기반의 관측 자료 결과는 탐사선의 운용 시나리오를 결정하거나 관측기기를 설계할 때 중요한 참고자료로 활용되었다. 

 

두 번째로 소개할 ADAM(All-Data Asteroid Modeling)이라는 방법 역시 코알라 프로그램과 마찬가지로 광도곡선 역산법을 기본으로 하고 있다. 이 프로그램은 핀란드 탐페레(Tampere) 대학 수학과 매티 비킨코스키(Matti Viikinkoski) 박사가 광도곡선 역산법 알고리즘을 개발한 같은 대학의 미코 카살라이넨(Mikko Kaasalainen) 교수, 광도곡선 역산법을 이용해서 2천여 개가 넘는 소행성의 3D 형상 모형을 구한 체코 까를(Charles) 대학 천문연구소 조셉 듀렉(Josef Durech) 교수와 함께 개발한 것3)으로 기존의 광도곡선 역산법이 볼록한 다면체(convex) 모델 밖에 구현하지 못하는 단점을 보완하였다. 

 

ADAM 프로그램은 그 풀어쓴 이름과 ADAM을 처음으로 소개한 논문 제목(ADAM: a general method for using various data types in asteroid reconstruction)에서도 알 수 있듯이 현재 존재하는 모든 종류의 소행성 관측 자료를 이용할 수 있다. 코알라 프로그램과 마찬가지로 오목한 형상(concave) 정보를 얻기 위해서 엄폐현상과 적응광학계 관측 결과를 이용하는 것은 물론 전파간섭계(interferometry), 도플러(Doppler) 레이다 자료, 적외선 관측 자료에 이르기까지 다양한 소행성 관측 자료를 간단한 변환 방식을 통해 최적의 3D 형상 모델을 구현해 낸다. 아래 그림은 근지구소행성 골레브카(Golevka)의 형상 모델을 나타낸 것으로 가장 왼쪽은 기존의 광도곡선 역산법으로 구한 볼록한 모형, 가운데와 오른쪽은 ADAM 프로그램을 이용하여 구한 오목한 모형이다(해상도 차이).

소행성 골레브카(Golevka)의 형상 모델. 출처: Viikinkoski 외 (2015)
소행성 골레브카(Golevka)의 형상 모델. 출처: Viikinkoski 외 (2015)

이 소행성은 전파망원경으로도 몇 차례 관측이 되었는데, 아래 그림은 아레시보 도플러 레이다 영상을 모델로 구현한 것이다. 레이다 관측은 보다 정밀한 소행성의 궤도 정보를 제공하는데 수년간의 관측을 통해서 소행성 골레브카는 태양열에 의한 궤도 변화 현상인 야르코브스키(Yarkovsky) 효과(참고: 소행성도 종족이 있다)를 받은 것으로 알려졌다. 이러한 야르코브스키 효과 등 비중력적인 현상을 정확하게 이해하는데 있어서 소행성의 3D 형상 모델은 필수적으로 이용된다. 특히 근지구소행성의 궤도는 지구와의 충돌 확률 계산에 많은 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다. 

 

앞서 설명한대로 ADAM 프로그램은 코알라 방법보다 다양한 관측 데이터의 활용이 가능하고 데이터 입력 방식도 비교적 간단하기 때문에 최근에는 대형 망원경을 이용한 적응광학계 관측 결과도 ADAM을 통해 형상모델을 구하고 있는 추세다. 뿐만 아니라 세계 최대의 밀리미터 전파 간섭계인 ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) 망원경의 관측 결과는 별도의 데이터 형식 변환 없이 바로 입력이 가능하도록 되어 있어서 앞으로 활용 범위는 더욱 확장될 전망이다. 현재 ADAM 프로그램은 웹사이트를 통해 소스코드까지 다운로드가 가능4)하며 앞으로는 GPU 연산 방식을 이용하여 계산 속도를 높이는 방향으로 개발이 진행될 예정이다.

소행성 골레브카(Golevka)의 아레시보 레이다 관측을 이용한 형상 모델. 출처: Wikimedia Commons
소행성 골레브카(Golevka)의 아레시보 레이다 관측을 이용한 형상 모델. 출처: Wikimedia Commons

 ##참고자료##

 

1) 브누와 캐리(Benoit Carry) 박사의 2009년도 박사학위 논문,

http://benoit.carry.free.fr/publication/phd/PhD-B.Carry-Manuscript.pdf

2) 소행성 루테티아(Lutetia)의 형상모델에 관한 보도자료,

https://www.boulder.swri.edu/~merline/press/ 

3) ADAM 프로그램이 처음 소개된 논문
Matti Viikinkoski, Mikko Kaasalainen & Josef Ďurech. “ADAM: a general method for using various data types in asteroid reconstruction” Astronomy and Astrophysics 576 (2015) A8.

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2015/04/aa25259-14/aa25259-14.html 

4)ADAM 프로그램 다운로드 받는 곳

https://github.com/matvii/ADAM 


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