우주망원경 'SPHEREx' 성능 시험장비 개발
우주망원경 'SPHEREx' 성능 시험장비 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.08.20 12:22
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한국천문연구원(이하 ‘천문연’)이 NASA SPHEREx(스피어엑스) 우주망원경 성능 시험을 위한 장비 개발을 완료했다고 밝혔습니다. 해당 장비는 SPHEREx 망원경의 성능을 지상에서 정밀하게 시험하기 위한 시험 장비로, 천문연이 2019년 8월 개발 착수해 약 3년 만에 개발을 완료하고 지난 6월 미국으로 이송해 설치를 마쳤습니다.

 

SPHEREx 우주망원경

SPHEREx(Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer)는 ‘전천(全天) 적외선 영상분광 탐사를 위한 우주망원경’ 입니다. 대기에 흡수되기 때문에 지상에서는 관측이 불가능한 적외선을 볼 수 있는 우주망원경인데요. 미국 Caltech 주관으로 한국천문연구원과 NASA 제트추진연구소(JPL) 등 12개 기관이 참여하는 프로젝트입니다. 2015년부터 시작된 2,800억 원 규모의 NASA 중형미션이며, 2021년 상세 설계 단계를 통과해 망원경이 제작되고 있습니다.

SPHEREx 최근 확정된 단면도와 운영 상상도. 출처 : NASA/JPL-Caltech

SPHEREx 최근 확정된 단면도와 운영 상상도. 출처 : NASA/JPL-Caltech

영상분광 기술을 이용해 온 하늘(전천, 全天)을 총 102개의 색깔로 촬영할 수 있는데요. 영상분광 기술이란 넓은 영역을 동시에 관측할 수 있는 ‘영상관측(Imaging)’과 개별 천체의 파장에 따른 밝기의 변화를 측정하는 ‘분광관측(Spectroscopy)’이 통합된 기술입니다.

 

전체 하늘에 대한 적외선 분광 탐사는 전 세계적으로 처음 이루어지는 대규모 우주 탐사 관측입니다. 2025년 4월에 발사되어 약 2년 6개월 동안 0.75 ~ 5.0μm 파장 범위에서, 낮은 분광 분해능(λ/Δλ = 40 – 150)으로 전천 탐사를 수행할 계획입니다. 약 20억 개의 천체들에 대한 개별적인 분광 자료를 획득할 수 있을 것으로 기대하고 있죠. SPHEREx는 이러한 방대한 관측자료를 통해 우주의 3차원 공간 정보를 획득함으로써 적외선 우주배경복사의 수수께끼를 푸는 실마리를 찾고, 생명체가 존재할 수 있는 행성계 탐사 연구에 기여할 것으로 기대됩니다. 또한 SPHEREx로 확인된 특이 천체를 중심으로 JWST를 활용한 후속 관측 수행 및 연구 예정입니다.

- SPHEREx 프로젝트 홈페이지 : http://spherex.caltech.edu/

 

천문연이 개발한 장비는?

천문연이 이번에 개발한 장비 중 핵심장비는 극저온 진공챔버입니다. 우주에서 적외선을 관측하려면 우주의 온도만큼 저온으로 냉각되는 망원경이 필요한데요. SPHEREx에 최적화해 개발한 이 진공챔버는 망원경이 우주에서 냉각되어 도달할 영하 220도 이하의 극저온 진공상태를 구현합니다. 앞으로 개발할 SPHEREx 망원경을 넣고 시험을 하여 망원경이 촬영하는 사진 속에서 초점이 고르게 제대로 맞춰지는지 검증하고, 사진의 각 부분에서 어떤 파장 즉, 어떤 색깔이 보이는지를 측정하는 역할을 담당합니다.

천문연이 개발한 SPHEREx 시험장비 미국 실험실로 운송 모습. 출처 : NASA JPL-Caltech
천문연이 개발한 SPHEREx 시험장비 미국 실험실로 운송 모습. 출처 : NASA JPL-Caltech

극저온 챔버에서 SPHEREx 망원경의 성능을 시험하기 위해서는 거대한 챔버 자체뿐만 아니라 고가의 망원경을 안전하게 집어넣을 수 있는 보조 장비 등도 필요합니다. 천문연은 SPHEREx 망원경 정밀 로딩 장비도 함께 개발했습니다. 뿐만 아니라 극저온에서 파장과 초점을 측정할 적외선 빛을 평탄하게 만들어주는 장치 등 보조 광학 장비들도 설계·제작했습니다.

 

SPHEREx는 ‘전천(全天) 적외선 영상분광 탐사를 위한 우주망원경’이며 NASA 제트추진연구소(이하 ‘JPL’) 및 미국 캘리포니아 공과대학(이하 ‘Caltech’) 등 12개 기관이 참여하는 프로젝트인데요. 프로젝트의 주요 하드웨어는 우주에서 냉각을 위한 외곽 차폐막(JPL), 적외선 검출기를 포함한 관측 기기(Caltech), 적외선 망원경(Ball Aerospace), SPHEREx의 극저온 성능시험 장비(천문연)로 각 기관이 역할 분담해 개발하고 있습니다. 이번 천문연의 SPHEREx 극저온 성능시험 장비 개발 설치 완료는 전체 SPHEREx 프로젝트 차원에서 2021년 상세 설계 이후 본격적으로 SPHEREx 하드웨어 개발이 가시화되는 것을 의미합니다.

 

천문연과 SPHEREx 연구팀은 2023년 상반기 미국 Caltech에서 망원경의 광학성능을 검증하는 검교정 시험을 진행할 예정입니다. 천문연은 설치한 극저온 진공 챔버를 활용하여 망원경의 우주환경시험을 주도하고, 관측자료 분석 소프트웨어 개발 및 핵심 과학연구 등에 참여합니다.

천문연이 SPHEREx에 최적화해 개발한 진공챔버. 출처 : NASA/JPL-Caltech
천문연이 SPHEREx에 최적화해 개발한 진공챔버. 출처 : NASA/JPL-Caltech

SPHEREx는 계획상 2025년 4월에 태양동기궤도로 발사돼 약 2년 6개월 동안 온 하늘을 총 네 번 102개의 색깔로 촬영하는 임무를 맡았습니다. 태양동기궤도란 위성 궤도면의 회전 방향과 주기가 지구의 공전 방향과 주기와 같은 궤도로서 태양과 항상 일정한 각도를 유지하는 지점입니다.

 

Caltech에서 SPHEREx 관측기기 개발을 총괄하고 있는 기기 과학자인 필 콘굿(Phil Korngut) 박사는 “극저온 상태에서 우주망원경의 초점을 유지하는 것은 대단히 중요하며, 천문연의 진공챔버가 SPHEREx 발사에 있어 크게 기여하고 있다”라고 말했습니다.

 

한국 측 연구책임자인 천문연 정웅섭 박사는 “제임스웹 우주망원경의 경우, ‘좁은’ 지역을 정밀하게 관측하는 데 반해, SPHEREx는 ‘넓은’ 지역의 기본적인 물리적 특성을 제공하는 망원경”이라며, “추후 SPHEREx로 발견한 천체를 제임스웹 우주망원경, 거대마젤란망원경 등을 활용한 후속 관측 및 연구가 가능하다”고 밝혔습니다. 또한, 우주기술 측면에 있어서는 “이번 NASA와의 성공적인 공동 개발을 통해 적외선 우주망원경의 극저온 성능 시험 분야의 우주기술도 선진국 수준으로 도약할 수 있다”고 전했습니다.

SPHEREx 검교정 장비 개발에 참여한 연구진. 출처 : 한국천문연구원
SPHEREx 검교정 장비 개발에 참여한 연구진. 출처 : 한국천문연구원

천문 우주과학을 위한 NASA의 미션 및 단계

NASA는 우주개발 로드맵을 추진하기 위해 주요 우주개발 미션을 소형, 중형 미션으로 나누어 후보들을 선정(아래 표 참조)하고, 이후 제안서 단계(Phase A) 연구 결과를 평가해 최종 미션을 선정한다. 공식 선정 이후 준비·계획 단계(Phase B)에서 예비설계를 진행하고, 성공적으로 평가받을 경우 제작 단계(Phase C)로 넘어간다.

NASA의 우주탐사 프로그램 요약. 출처 : 한국천문연구원
NASA의 우주탐사 프로그램 요약. 출처 : 한국천문연구원

 

#용어설명

1. 분광관측(Spectroscopy)

파장에 따라 내는 빛의 밝기를 측정하는 것으로, 천체들에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있다. 특히, 우주 거대 구조를 측정하기 위해서는 개별 천체들이 얼마나 우리로부터 빨리 멀어져 가고 있는지(Redshift, 적색이동)를 측정해야 하는데, 이를 위해서는 개별 천체들의 분광 정보가 필수적이다. 

2. 영상분광기술(Spectro-photometry)

넓은 영역을 동시에 관측할 수 있는 영상관측(Imaging)과 개별 천체의 파장에 따른 밝기의 변화를 측정하는 분광관측(Spectroscopy)이 통합된 개념이다.

예를 들어, 특정 천체에 대해 100개로 나눠진 각각의 좁은 파장대의 분광 정보를 얻고자 할 때 가장 쉽게 떠올릴 수 있는 방법은 특정 파장대만 투과시키는 100장의 필터(filter)를 사용하여 각 필터들에 대해 100번의 사진을 찍는 것이다. 하지만 이렇게 많은 수의 필터들을 제작하여 우주망원경에 올려 관측하는 것은 기술적으로 불가능하다. SPHEREx의 경우 필터의 위치에 따라 투과하는 빛의 파장이 달라지는 특수 선형 분광 필터(Linear Variable Filter)를 사용하여 천체의 영상과 분광 정보를 동시에 얻는다. 이 선형 분광 필터를 사용하여 필터를 교체하는 방법이 아니라 망원경과 필터의 방향을 조금씩 바꿔가며 사진을 찍은 뒤 합성하는 방법으로 천체의 분광 정보를 얻을 수 있다. 

이러한 영상분광 기술을 사용하면 어떤 특정 천체뿐만 아니라, 전체 하늘을 100개의 파장에서 사진 찍는 것이 가능해진다. SPHEREx는 적외선을 투과하는 선형 분광 필터를 사용하는 영상분광 기술을 이용해 세계 최초로 ‘전천 영상분광 탐사(All-Sky Spectral Survey)’를 시도하는 임무를 수행한다.

3. 극저온 진공 챔버(Cryogenic vacuum chamber)

SPHEREx가 동작할 우주환경과 같은 온도, 진공 상태를 제공할 수 있는 대형 실험 기기이다. SPHEREx 망원경을 통째로 챔버에 집어넣은 상태에서 ~80K(절대온도) 이하로 냉각할 수 있고, 우주 공간과 비슷한 진공상태를 만들 수 있다. 기존 극저온 진공챔버와 달리, 천체가 내는 빛의 파장과 비슷한 적외선 빛을 넣을 수 있게 제작되어 망원경 및 카메라의 냉각 및 광학 성능을 테스트할 수 있다.


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