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천문연-NASA, 세계 최초 전천(全天) 영상분광 탐사 우주망원경 SPHEREx 제작 단계 돌입 2021-01-06

천문연-NASA, 세계 최초 전천(全天) 영상분광 탐사 우주망원경 SPHEREx 제작 단계 돌입

- 천문연, 공동개발 참여기관 중 유일한 미국 외 기관으로 참여 -


□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)와 한국천문연구원(원장 이형목, 이하 ‘천문연’)은 1월 6일(수) NASA 제트추진연구소(이하 ‘JPL’) 및 미국 캘리포니아 공과대학(이하 ‘Caltech’)과 공동개발하는 우주망원경 SPHEREx 제작에 착수했다고 밝혔다.

 ㅇ SPHEREx*는 ‘전천(全天) 적외선 영상분광 탐사를 위한 우주망원경’으로, 전체 하늘에 대한 영상분광 탐사로는 세계 최초이다.

    * Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer


□ SPHEREx는 지상에서는 지구 대기에 의한 손실 때문에 관측이 어려운 적외선 천체 관측이 가능할 뿐 아니라, 영상분광 기술을 적용해 전 우주를 102개의 색깔로 관측할 수 있다.

 ㅇ 영상분광 기술이란 넓은 영역을 동시에 관측할 수 있는 ‘영상관측(Imaging)’과 개별 천체의 파장에 따른 밝기의 변화를 측정하는 ‘분광관측(Spectroscopy)’이 통합된 기술로,

 ㅇ SPHEREx에는 천문연이 차세대 소형위성 1호의 과학탑재체 NISS(Near-infrared Imaging Spectrometer for Star formation history)에 최초로 적용한 선형분광필터를 사용한다.

 ㅇ NASA JPL의 앨런 파링턴 박사는 이에 대해 “마치 영화사에서 흑백 영화에서 컬러 영화로 전환된 시기의 촬영기법처럼 SPHEREx의 전천 우주 영상분광 관측은 천체물리 역사에 한 획을 그을 획기적인 시도이다”라고 설명했다.


□ SPHEREx는 이러한 관측 기술을 통해 전 우주에 존재하는 약 20억 개에 달하는 개별 천체들의 전천 분광 목록을 작성할 수 있을 것으로 기대된다.

 ㅇ SPHEREx의 관측영상과 각 천체의 방출 스펙트럼을 재구성하면 우주의 3차원 공간 정보를 얻을 수 있는데, 이는 빅뱅 직후 우주 급팽창에 의한 우주생성 이론과 은하 형성 및 진화의 정보를 담은 적외선 우주배경복사의 수수께끼를 푸는 실마리가 되며,

 ㅇ 우리은하와 우주에 얼음 상태로 존재하는 물과 이산화탄소 등의 분포 지도를 작성하여 지구와 같이 생명체가 존재할 수 있는 행성계 탐사 연구에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.


□ SPHEREx는 2016년 천문연이 Caltech과의 국제공동연구 기획을 바탕으로, 국제연구팀 공동으로 NASA에 개발을 제안하면서 시작됐다.

 ㅇ NASA는 2019년 2월 동 제안서를 선정하고, 2020년 10월 예비설계 결과를 평가하여 2021년 1월 6일(한국 현지기준) 최종 승인을 발표했으며, 이에 따라 SPHEREx가 본격적인 제작에 착수하게 됐다.

 ㅇ 제작 완료된 SPHEREx는 2024년 태양동기궤도*로 발사돼 약 2년 6개월 동안 4회 이상의 전천 분광 탐사 임무를 수행할 예정이다.

    * 위성 궤도면의 회전 방향과 주기가 지구의 공전 방향과 주기와 같은 궤도로서 태양과 항상 일정한 각도를 유지하게 된다.


□ SPHEREx의 제작·운용에는 주관기관인 Caltech을 포함하여 NASA JPL, Ball Aerospace 등 12개의 기관이 참여하며, 천문연은 이 중 유일하게 미국 기관이 아닌 국제기관으로 참여한다.

 ㅇ 천문연은 망원경의 우주환경시험에 사용될 극저온 진공 챔버 개발 및 테스트를 주도하고, 관측자료 분석 소프트웨어 개발 및 핵심 과학연구 등에 참여할 예정이다.

 ㅇ 한편 주관기관인 Caltech은 적외선 관측기기 및 자료처리 파이프라인을 개발하고, NASA JPL은 미션운영과 탑재체 개발 조립, Ball Aerospace는 위성체 제작을 맡을 예정이다.


□ 한국측 연구책임자인 천문연 정웅섭 박사는 “과거 차세대 소형위성 1호 과학탑재체인 NISS의 독자 개발 경험이 밑거름이 되어 SPHEREx 공동개발에 유일한 국제 연구기관으로 참여할 수 있게 됐다”며,

 ㅇ “이번 공동개발을 통해 연구진이 세계 최고 수준의 우주망원경 개발에 대한 자신감을 얻었다”고 말했다.


□ 과기정통부 이창윤 거대공공연구정책관은 “영상분광 관측기술은 이번 SPHEREx 우주망원경 개발뿐 아니라, 자원탐사, 기후 및 자연재해 감시 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 최첨단 기술”이라며,

 ㅇ “미래 우주개발을 선도할 수 있는 핵심 기술 확보를 위해 세계적 수준의 연구기관과 지속적인 공동연구를 확대할 계획”이라고 밝혔다.



붙임 : 1. SPHEREx 관련 이미지와 동영상

           2. 주요 용어 설명

           3. SPHEREx 관련 추가 설명자료


[문의]

우주과학본부 정웅섭 책임연구원(☎ 042-865-3204)

광학천문본부 양유진 책임연구원(☎ 042-865-3229)


[참고1]SPHEREx 관련 이미지와 동영상


SPHEREx 컨셉 동영상 링크바로가기 


01

그림1. SPHEREx 우주망원경 개념도(출처: SPHEREx 홈페이지)


02

그림2. SPHEREx에서 시도하는 전천 영상분광기술(출처: SPHEREx 홈페이지)


03

그림3. SPHEREx 우주망원경 성능 테스트를 위한 천문연 극저온 진공챔버 모식도(천문연 제공)


[참고2] 주요 용어 설명

□ 분광관측(Spectroscopy)

 ㅇ 파장에 따라 내는 빛의 밝기를 측정하는 것으로, 천체들에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있다.

 ㅇ 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. 


□ 영상분광기술(Spectro-photometry)

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

 ㅇ 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. 

 ㅇ 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.


□ 극저온 진공 챔버(Cryogenic vacuum chamber)

 ㅇ 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.


[참고3] SPHEREx 관련 추가 설명자료

□ SPHEREx(Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer)

 ㅇ 2015년부터 미국 Caltech 주관으로 한국천문연구원과 국제공동으로 기획·개발하고 있는 전천 적외선 영상분광 탐사 미션이다. 0.75 ~ 5.0μm 파장 범위에서, 낮은 분광 분해능(λ/Δλ = 40 – 150)으로 전천 탐사를 수행할 계획이다.

 ㅇ 전체 하늘에 대한 적외선 분광 탐사는 전 세계적으로 처음 이루어지는 대규모 우주 탐사 관측으로, 이로부터 약 20억 개의 천체들에 대한 개별적인 분광 자료를 획득할 수 있을 것으로 기대된다.


□ 천문 우주과학을 위한 NASA의 미션 및 단계

 ㅇ NASA는 우주개발 로드맵을 추진하기 위해 주요 우주개발 미션을 소형, 중형 미션으로 나누어 후보들을 선정하고, 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.


□ SPHEREx 컨소시엄(Consortium) 참여기관

 ㅇ SPHEREx 컨소시엄은 총 12개 기관이 참여하고 있다.

 ㅇ 주관기관은 캘리포니아 공과대학(과제 책임자 Jamie Bock 교수)이고, 기기개발 및 과학연구 전반을 주도하고 있다. NASA JPL은 탑재체 개발 및 전체적인 개발 프로젝트 관리를 맡고 있다(프로젝트 매니저 Allen Farrington 박사).

 ㅇ 천문연 정웅섭 책임연구원이 이끄는 한국 SPHEREx팀은 기기개발, 자료처리 소프트웨어, 과학연구 전반에 걸쳐 30명의 연구원이 참여하고 있다. 다음 표에는 SPHEREx 컨소시엄에 참여하고 있는 각 기관의 역할을 정리하였다.


< SPHEREx 컨소시엄 참여기관 명단 및 주요 역할 >

04


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

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