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과학기술위성 활용 과학연구 주요 성과 발표 2015-12-22

한국천문연구원(원장:한인우)은 2003년과 2013년에 각각 발사하여 과학관측임무를 수행한 과학기술위성 1호와 3호의 주탑재체를 활용하여 얻어낸 주요 우주천문학 연구 성과 및 계획을 발표하였다.

과학기술위성 1호의 주탑재체인 원자외선 분광기(이하, FIMS, Far-ultraviolet Imaging Spectrograph)는 국내 최초의 원자외선 우주망원경으로 한국천문연구원, 한국과학기술원, 미국 버클리 대학의 공동 연구로 개발되었다. 한국천문연구원은 FIMS를 활용하여 우리은하의 원자외선 배경복사 전천지도와 우리은하의 밝은 별들에 대한 원자외선 스펙트럼 목록을 만들었고, 초신성 잔해, 수소분자 구름, 성간 먼지 연구 등의 주제에 대한 연구를 진행하였다.

과학기술위성 3호의 주탑재체는 한국천문연구원이 개발한 국내최초의 적외선우주망원경인 다목적적외선 영상관측시스템(이하, MIRIS, Multi-purose InfraRed Imaging System)이며, 이를 활용하여 최근까지 관측연구를 수행하였다. 이를 통해 얻은 관측 데이터를 활용하여 우리은하 고온가스 분포 조사 및 은하의 기원 등에 대한 연구를 진행할 예정이다.

한국천문연구원은 과학기술위성 시리즈 이후 2012년부터 시작된 차세대 소형위성 시리즈의 주탑재체 중의 하나인 근적외선 영상 분광기(이하, NISS, Near-infrared Imaging Spectrometer for Star formation history)의 시험인증모델을 개발하였고, 이를 보완한 비행 모델을 개발 하여 차세대 소형위성 1호에 실어 2017년 발사할 예정이다.


과학기술위성 1호 주탑재체
원자외선 분광기 FIMS 개요


과학기술위성 1호는 국내 기술로 개발된 국내 최초의 우주관측 위성으로 2003년 9월에 발사되어 2005년 5월까지 약 2년 동안 관측 임무를 수행하였다. 과학기술위성 1호의 주탑재체인 FIMS는 국내 최초의 원자외선 우주망원경으로 한국천문연구원, 한국과학기술원, 미국 버클리 대학의 국제 공동 연구로 개발되었다.

FIMS의 주요 연구목적은 우리은하 안에 있는 고온의 기체를 관측함으로써 우리은하의 진화 원리를 규명하는데 있다. 1974년 코페르니쿠스 인공위성은 우리은하 성간물질에 상당량의 고온 기체가 존재한다는 것을 발견하였는데, 이런 고온 기체의 거시적 구조와 생성원인이 무엇인지 현재까지도 정확하게 밝혀지지 않고 있다. FIMS 이전에도 이러한 고온 기체 관측을 목적으로 하는 많은 우주 망원경 HST(허블 우주 망원경, Hubble Space Telescope), IUE(International Ultra-violet Explorer)의 관측이 이루어졌으나, 이들은 모두 시야각이 좁기 때문에 매우 한정된 지역에 대한 관측만 수행하였다. FIMS는 기존 관측의 문제점을 보완하고자 넓은 시야로 우리은하 전천의 고온 기체를 관측했을 뿐만 아니라, 동시에 스펙트럼 관측을 수행하여 여러 가지 이온화 상태의 가스들을 구분하는데 성공하였다.

FIMS가 임무종료한지 10년이 되는 올해까지, 이를 활용한 과학 연구의 성과로서 천체물리학저널(Astrophysical Journal) 등 세계적 명성의 SCI 국제 전문학술지에 38편의 논문이 게재 되었고, 국제 프로시딩 논문 51편, 국내 전문학술지에 21편의 논문이 게재되었다. FIMS는 고온의 초신성 잔해 관측연구, 수소분자 구름 및 성간먼지 분포 연구, 자외선 파장 별목록 작성 등의 분야에서 세계적으로 괄목할만한 연구성과를 발표하였다.


과학기술위성 1호 주탑재체 원자외선 분광기 FIMS 대표 연구 사진

우리은하의 원자외선 배경복사 전천지도


 돛자리 초신성 잔해 (Vela supernova remnant) 영상


돛자리 초신성 잔해 (Vela supernova remnant) 영상


돛자리 초신성 잔해의 X-ray 영상과 FIMS로 관측한 산소 기체 영상(등고선)

돛자리 초신성 잔해의 X-ray 영상과 FIMS로 관측한 산소 기체 영상(등고선). 급격히 팽창하는 초신성의 분출물과 성간물질의 충격파에 의해 100만도 이상으로 가열된 고온 기체에서 X-ray가 관측이 되며, 충격파의 감속과 함께 약 30만도로 식은 고온의 산소 기체에서 방출되는 원자외선이 함께 관측되었다. 


우리은하의 밝은 별들의 원자외선 스펙트럼 목록


FIMS로 관측한 532개의 밝은 별들의 위치. 배경은 FIMS로 관측한 전천 하늘의 노출 시간이며 네모는 FIMS가 최초로 발견한 70개의 별, 세모는 기존보다 잘 관측된 139개의 별, 플러스는 FIMS보다 잘 관측된 기존의 323개의 별을 나타낸다.

FIMS로 관측한 532개의 밝은 별들의 위치. 배경은 FIMS로 관측한 전천 하늘의 노출 시간이며 네모는 FIMS가 최초로 발견한 70개의 별, 세모는 기존보다 잘 관측된 139개의 별, 플러스는 FIMS보다 잘 관측된 기존의 323개의 별을 나타낸다.




HD 63922의 원자외선 스펙트럼으로 검은색은 FIMS, 붉은색은 IUE, 파란색은 UVSST의 스펙트럼을 나타낸다.

HD 63922의 원자외선 스펙트럼으로 검은색은 FIMS, 붉은색은 IUE, 파란색은 UVSST의 스펙트럼을 나타낸다. 




FIMS가 최초로 관측한 HD 84567의 원자외선 스펙트럼 중의 하나이다.

FIMS가 최초로 관측한 HD 84567의 원자외선 스펙트럼 중의 하나이다. 


과학기술위성 1호 주탑재체
원자외선 분광기 FIMS 주요 과학연구 성과들의 주제별 설명


초신성 잔해 : 무거운 별은 진화의 마지막 단계에서 엄청난 양의 물질과 에너지를 방출하는데, 이때의 밝기는 은하 전체의 밝기와 비슷하며, 이를 초신성이라고 부른다. 철보다 무거운 원소들은 초신성 폭발로만 만들어지고, 새로이 만들어진 원소들은 다시 별들의 재료가 됨으로써 은하가 한 단계 진화를 하게 된다. 초신성의 잔해는 수 만년에서 수백만 년까지 관측되는데, 초신성 잔해에 의한 충격파가 있는 부분에서 고온 기체에 의한 자외선 방출선들이 관측된다. FIMS는 우리은하의 여러 초신성 잔해들(돛자리 (Vela), 백조자리 (Cygnus), 이리자리 (Lupus), 펌프자리 (Antlia), 오리온-에리다누스 (Orion-Eridanus), Monogem ring, G65.3+5.7, RCW 114)을 관측함으로써 초신성 잔해와 성간물질간의 상호작용과 진화 과정을 밝혀내었다.

수소분자 구름: 우리은하 성간물질의 80%는 수소원자가 차지하며, 나머지 20%는 수소분자로 존재한다. 그러나 수소분자가 우주에서 가장 많이 존재하는 분자임에도 불구하고 무극성 분자이므로 관측이 어렵기 때문에, 관측이 쉬운 일산화탄소(CO) 등으로 간접적으로 예측되었다. 그러나 FIMS의 자외선 영역에서는 수소분자 형광방출선이 관측되므로 수소분자의 직접적인 관측이 가능하다. FIMS는 황소자리(Taurus) 구름, 뱀주인자리(Ophiuchus) 구름 등 별 탄생이 가능한 고밀도 수소분자 구름 지역뿐만 아니라, 초신성 잔해들에서도 수소분자를 관측하였으며 그 환경을 분석하였다. 또한 수소분자는 은하 전반에서 관측되었기 때문에 FIMS를 이용한 수소분자의 우리은하 전천 분포 영상이 제작될 예정이다.

성간 먼지: 우리은하의 원자외선 배경복사의 대부분(약 80%)은 성간 먼지에 의해 산란된 별 빛이 차지한다. 성간 먼지는 수소분자의 촉매제로서 별의 탄생에 필수적인 요소이다. 또한 성간 먼지는 별빛을 흡수하고 산란시킴으로서 별빛을 차단하며, 흡수된 빛은 더 긴 파장의 빛으로 재 방출함으로써 스펙트럼을 변형시킨다. 별 빛의 복사 전달 시뮬레이션을 수행하여 FIMS로 관측된 원자외선 배경 복사 영상을 재현함으로써 성간 먼지의 공간 분포 및 산란 성질을 알아내었다. 이런 연구는 결국 기존의 성간 먼지의 성분 및 크기 분포 모델과 비교함으로써 우리은하에 대한 보다 정확한 이해를 가능하게 할 것이다.

별 목록 작성: FIMS는 우리은하 전천 관측을 수행하면서 자연스럽게 수많은 별들이 관측되었다. 원자외선에서 보이는 별들은 아주 크고 밝은 별들인데, 현재까지 약 1만여 개의 별들에 대한 원자외선 스펙트럼이 존재한다. FIMS는 70개의 새롭게 발견된 별과 139개의 기존보다 잘 관측된 별의 원자외선 스펙트럼 목록을 제작하였다. 이 정보는 논란이 되는 밝은 별들의 분광 유형 연구나, 성간물질에 의한 소광 연구에 적용 가능하다.


과학기술위성 3호 주탑재체
다목적 적외선 영상관측시스템 MIRIS 개요


과학기술위성 3호는 국내기술로 개발하여 2013년 11월 발사 이후 2년간 과학관측을 수행하고 최근 임무를 종료하였으며, 주탑체체로서 한국천문연구원이 개발한 국내최초의 적외선우주망원경 MIRIS를 활용하여 우리은하와 초기 우주진화를 위한 관측연구를 수행하였다.

MIRIS의 우주관측 적외선카메라는 계획하였던 우리은하 탐사 및 우주 배경복사 탐사임무를 성공적으로 수행하였으며, 현재 과학연구를 위한 정밀 보정작업 및 데이터 분석 시스템 구축 작업 등이 진행되고 있다. 조만간 우리은하의 고온가스 분포 연구 및 은하의 기원, 우주탄생 초기 별들의 공간 분포 등에 대한 우주천문학 연구의 자료로 활용될 예정이다.


과학기술위성 3호 주탑재체
다목적 적외선 영상관측시스템 MIRIS 대표 연구 사진


 다목적 적외선 영상관측시스템 MIRIS 대표 연구 사진, 영혼성운 심장성운, 용골자리 성운

지상에서 촬영한 발머α선 관측 영상(위, Finkbeiner 2003)과 우주에서 과학기술위성 3호가 촬영한 파셴α선 관측 영상(가운데)을 비교할 때, 지상 관측으로 획득하기 어려운 우주 구조에 관한 정보를 획득할 수 있다. 아래 오른쪽: 용골자리 성운(Carina Nebula)은 지구에서 약 6,500~10,000광년 떨어진 곳에 위치한 성운으로 용골자리 에타별(태양 질량의 100배 이상) 등 무거운 별들이 많이 모여 있다. 아래 왼쪽: 심장 성운(Heart Nebula)과 영혼 성운(Soul Nebula)는 카시오페이아자리에 위치하고 있고 지구에서 약 7,500광년 떨어져 있다. 이 둘은 성운 안에 존재하는 밝은 별들에 의하여 이온화된 수소 기체로 이루어져 있는 발광성운이다. 아래 왼쪽의 원은 보름달의 크기에 해당한다.


MIRIS 우주관측카메라로 관측한 용골자리 성운 영역 영상  


용골자리 성운(Carina Nebula) 영역에 대한 지상 관측 발머α선 영상(위, Finkbeiner 2003)과 MIRIS 우주관측카메라의 파셴α선 영상(아래)


용골자리 성운(Carina Nebula) 영역에 대한 지상 관측 발머α선 영상(위, Finkbeiner 2003)과 MIRIS 우주관측카메라의 파셴α선 영상(아래)을 비교할 때, MIRIS 우주관측카메라의 파셴α선 영상에서는 지상의 발머α선 영상에 비하여 성운의 실 모양 구조(filamentary structure)와 물방울 모양 구조(blob) 등 세부까지 확인할 수 있다.   


우주배경복사 관측 영상(황도북극 방향 광역 영상) 


적외선우주배경복사 연구를 위하여 관측한 황도북극 방향 광역(10°×10°) 관측 영상. 왼쪽은 1.1 μm, 오른쪽은 1.6 μm 영상이다.


적외선우주배경복사 연구를 위하여 관측한 황도북극 방향 광역(10°×10°) 관측 영상. 왼쪽은 1.1 μm, 오른쪽은 1.6 μm 영상이다. 영상 내 대부분의 천체는 별이다. 이 영상에서 별과 성간물질의 영향 등을 제거하고 난 후 우주 초기 천체들의 생성과 진화에 대하여 연구할 수 있다. 아래 왼쪽의 원은 보름달의 크기에 해당한다.  


혜성 C/2014 Q2 (Lovejoy) 관측 영상 


혜성 C/2014 Q2 (Lovejoy)가 태양에 가까워질 때(2015년 1월 12일) 관측한 I 밴드(왼쪽)와 H 밴드(오른쪽) 영상

혜성 C/2014 Q2 (Lovejoy)가 태양에 가까워질 때(2015년 1월 12일) 관측한 I 밴드(왼쪽)와 H 밴드(오른쪽) 영상


혜성 C/2014 Q2 (Lovejoy)가 태양에서 멀어질 때(2015년 2월 27일) MIRIS 우주관측카메라로 관측한 I 밴드(왼쪽)와 H 밴드(오른쪽) 영상


혜성 C/2014 Q2 (Lovejoy)가 태양에서 멀어질 때(2015년 2월 27일) MIRIS 우주관측카메라로 관측한 I 밴드(왼쪽)와 H 밴드(오른쪽) 영상


형위성 시리즈 주탑재체

근적외선 영상 분광기 NISS 계획


NISS 탑재체와 이를 탑재한 차세대 소형위성 1호 모습 : 반사망원경으로 비축 광학계를 채용한 근적외선 영상분광기 NISS 시험 인증모델 모습 (좌)과 차세대 소형위성 1호에 탑재된 모습 (우)


NISS 탑재체와 이를 탑재한 차세대 소형위성 1호 모습 : 반사망원경으로 비축 광학계를 채용한 근적외선 영상분광기 NISS 시험 인증모델 모습 (좌)과 차세대 소형위성 1호에 탑재된 모습 (우)  



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☎ 042-865-3219 우주천문그룹 한원용 책임연구원  

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