[논문]적외선 우주배경복사 관측 실험 국제 공동 연구

이대희; 남욱원; 이성호; 진호; 육인수; 김건희; 박수종

doi:10.5303/pkas.2006.21.2.021

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A Korean team (Korea Astronomy and Space Science Institute, Korea Basic Science Institute, and Kyung Hee University) takes part in an international cooperation project called CIBER (Cosmic Infrared Background ExpeRiment), which has begun with Jet Propulsion Laboratory (JPL) in USA and Institute of S...

A Korean team (Korea Astronomy and Space Science Institute, Korea Basic Science Institute, and Kyung Hee University) takes part in an international cooperation project called CIBER (Cosmic Infrared Background ExpeRiment), which has begun with Jet Propulsion Laboratory (JPL) in USA and Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) in Japan. CIBER is a rocket-borne instrument, of which the scientific goal is to measure the cosmic near-infrared extra-galactic background to search for signatures of primordial galaxy formation. CIBER consists of a wide-field two-color camera, a low-resolution absolute spectrometer, and a high-resolution narrow-band imaging spectrometer. The Korean team is in charge of the ground support electronics and manufacturing of optical parts of the narrow-band spectrometer, which will provide excellent opportunities for science and technology to Korean infrared groups.

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문제 정의

두 대의 광시야 카메라는 근적외선 우주배경복사 공간 섭동을 측정하며, 저분산 분광기는 근적외선 우주배경복사의 스펙트럼을 관측할 예정이다. 고분산 분광기는 근적외선 우주배경복사의 잡음에 해당하는 태양계 내의 황도광을 정밀 측정하는 것이 목표이다. 각 기기의 자세한 임무 및 성능은 이어지는 장에서 기술된다.
본 논문에서는 CIBER를 구성하는 두 대의 광시야 카메라, 저분산 분광기, 그리고 고분산 분광기의 성능 및과학 임무에 대해 설명하고 로켓 실험의 개요에 대해 소개하려고 한다. 그리고 CIBER에서 한국 그룹이 참여하는 구체적인 사항에 대해 기술하고 이것이 갖는 기술적, 과학적 의미에 대해 논의할 것이다.

제안 방법

근적외선 광시야 카메라는 10 cm 구경을 가지는 굴절망원경으로 77K까지 냉각되어 사용된다. 초점면에는 1024 x 1024 HgCdTe 센서가 장착되어 2도 x 2도의 시야를 7"의 각분해능으로 관측할 수 있게 하였다. 두 대의 광시야 카메라는 각각 0.
2005). CIBER는 시야가 넓은 근적외선 카메라 두 대를 이용하여 0.8 및 1.6 μm 대역을 동시에 관측함으로써 이러한 근적외선 우주배경복사의 공간 섭동을 검출하려고 한다. 위의 두 파장을 선택한 이유는 두파장 대역 사이에서 초기 별들에 의한 우주배경 복사량의 차이가 제일 크고, 황도광 또는 우리 은하 내의 광원에 의한 잡음들과 잘 분리할 수 있기 때문이다 (Bock et al.
• High-speed data interface card 및 PC system: 고속데이 터카드는 32bit의 데이터를 320Mbps로 PC에게 전달하기 위한 카드이다. PC 시스템은 고속의 데이터를 받아 영상 처리할 수 있도록 사양을 정하였고, 이를 구현하기 위해 Windows OS로 구동하는 GUI 프로그램을 개발하였다.

대상 데이터

3 cm인 굴절 망원경으로 프리즘이 삽입되어 R ~ 20 정도의 분해능을 가진다. 256 x 256 HgCdTe 적외선 센서를 사용하여 한 픽셀의 크기가 40 μm 정도이며, 네 개의 슬릿이 4도의 시야를 60"의각분해능으로 각각 관측하게 되는데, 하나의 슬릿당 256 스펙트럼이 나오므로 총 1024 개의 스펙트럼이 관측 가능하다. 계산된 결과에 따르면 약 15초 정도의 관측 시간 으로 S/N > 100 이상 되는 정도로 우주배경복사를 측정할 수 있는 감도가 되는 것을 알 수 있다.
초점면에는 1024 x 1024 HgCdTe 센서가 장착되어 2도 x 2도의 시야를 7"의 각분해능으로 관측할 수 있게 하였다. 두 대의 광시야 카메라는 각각 0.9 μm (I band) 및 1.6 μm (H band) 대역의 파장에 맞추어 설계, 제작된다. 이때 광학계는 전체 시야각에서 수차가 최소화되도록 설계되었다.
고분산 분광기는 한국에서 초정밀 가공으로 제작된다. 렌즈의 재질은 Silica로 77 K의 극저온에서도 적외선 특성이 잘 나오는 물질을 사용하였다. 렌즈를 지탱하는 광기계부는 Aluminium A6061T6를 사용할 예정이며 분석 결과 상온과 극저온에서의 온도 차이에 의한 광학계 성능이 요구 조건을 만족시킴을 확인하였다.

성능/효과

제작된 렌즈는 AR (anti-reflection) 코팅을 수행한다. AR 코팅의 요구 조건은 상온과 77 K의 온도에서 모두 렌즈 한 면의 반사율이 0.5 % 미만이 되도록 하는 것이며 국내의 코팅 회사에서 시편을 코팅한 결과 요구 조건을 만족함을 알 수 있었다.
256 x 256 HgCdTe 적외선 센서를 사용하여 한 픽셀의 크기가 40 μm 정도이며, 네 개의 슬릿이 4도의 시야를 60"의각분해능으로 각각 관측하게 되는데, 하나의 슬릿당 256 스펙트럼이 나오므로 총 1024 개의 스펙트럼이 관측 가능하다. 계산된 결과에 따르면 약 15초 정도의 관측 시간 으로 S/N > 100 이상 되는 정도로 우주배경복사를 측정할 수 있는 감도가 되는 것을 알 수 있다.
렌즈의 재질은 Silica로 77 K의 극저온에서도 적외선 특성이 잘 나오는 물질을 사용하였다. 렌즈를 지탱하는 광기계부는 Aluminium A6061T6를 사용할 예정이며 분석 결과 상온과 극저온에서의 온도 차이에 의한 광학계 성능이 요구 조건을 만족시킴을 확인하였다. 제작된 렌즈는 AR (anti-reflection) 코팅을 수행한다.

후속연구

현재 CIBER 각 기기의 설계가 끝난 시점에서 제작을 진행 중에 있으며, 한국에서는 지상 전자 장비의 개발과 고분산 분광기의 제작을 수행 중에 있다. 2007년에 조립, 시험 및 calibration을 수행하고, 2008년에 NASA에서 발사될 CIBER 프로젝트는 국제 선도적인 관측 데이터를 제공하고, 첨단 우주 적외선 기술을 직접 개발하게 하는 좋은 기회이므로, 이를 잘 활용하면 차후의 적외선 우주망 원경 개발의 초석이 될 것으로 보인다.
본 논문에서는 CIBER를 구성하는 두 대의 광시야 카메라, 저분산 분광기, 그리고 고분산 분광기의 성능 및과학 임무에 대해 설명하고 로켓 실험의 개요에 대해 소개하려고 한다. 그리고 CIBER에서 한국 그룹이 참여하는 구체적인 사항에 대해 기술하고 이것이 갖는 기술적, 과학적 의미에 대해 논의할 것이다.
CIBER 프로젝트는 2개의 광시야 카메라, 저분산 분광기, 그리고 고분산 분광기를 NASA의 과학로켓에 탑재하여 근적외선 우주배경복사를 관측하는 국제 공동 연구이다. 근적외선 영역의 우주배경복사 관측 자료를 수집하고, 이를 분석함으로써 우주 초기 별 및 은하에서 방출되는 빛의 스펙트럼과 공간적 분포를 연구할 계획이다. 미국 NASA 제트추진연구소, 일본 우주과학연구소와 공동으로 추진하는 이 프로젝트에 한국에서는 한국천문연구원과 한국기초과학지원연구원 그리고 경희대학교에서 참여한다.
(2006)을 참조하기 바란다. 목표한 지역이 관측 가능한 시간을 택해 2008년경에 NASA의 발사장에서 로켓을 발사할 예정이다.
2006). 현재 일본의 ASTRO-F 및 미국의 Spitzer 적외선 우주망원경 또한 적외선 우주배경복사를 부분적으로 관측하고 있으므로, CIBER의 독보적인 파장 및 시야각으로 관측한 자료를 함께 이용하면 위에 설명한 근적외선 우주배경복사의 두 특성을 직접적으로 분석하게 되어 국제 선도적인 연구를 수행할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주 초기의 원시성들이 초기 은하를 형성하면서 오늘날 관측되는 근적외선 파장 대역의 두가지 특징적인 형상은 무엇인가?	CIBER 프로젝트는 미국의 제트추진연구소 (Jet Propulsion Laboratory, JPL) 및 일본의 우주과학연구소 (Institute of Space and Astronautical Science, ISAS) 등이 주축이 되어 진행하는 국제 공동 연구로서, 미국 NASA 의 과학로켓에 적외선 카메라 및 분광기를 탑재하여 근적외선 (1-2 μm) 영역에서의 우주배경복사를 관측함으로써 우주 초기의 별 및 은하에 대한 연구를 수행하려는 목적을 가지고 있다. 우주 초기의 원시성 (종족 III)들이 초기 은하를 형성하면서 오늘날 관측되는 근적외선 파장 대역에 두가지 특징 적인 형상을 남기는데, 하나는 Ly-α 분광 형상이고, 다른 하나는 공간적 비등방성이다 (Cooray & Yoshida 2004). 빅뱅 이후 최초의 별들이 생성되면, 이들 별들에서 방출 되는 빛에 의해 성간 공간에 있는 수소 원자가 재이온화 되기 시작한다.
	적외선 우주배경복사 관측 국제 공동 연구의 목적은 무엇인가?	2006년 8월에 “우주용 적외선카메라 개발 및 로켓관측”과제가 기초기술연구회의 협동과제로 선정됨으로써 한국 천문연구원(KASI), 한국기초과학지원연구원(KBSI), 그리고 경희대학교로 구성된 적외선 연구 그룹이 적외선 우주배경복사 관측 국제 공동 연구(Cosmic Infrared Background ExpeRiment, CIBER)에 본격적으로 참여하게 되었다. CIBER 프로젝트는 미국의 제트추진연구소 (Jet Propulsion Laboratory, JPL) 및 일본의 우주과학연구소 (Institute of Space and Astronautical Science, ISAS) 등이 주축이 되어 진행하는 국제 공동 연구로서, 미국 NASA 의 과학로켓에 적외선 카메라 및 분광기를 탑재하여 근적외선 (1-2 μm) 영역에서의 우주배경복사를 관측함으로써 우주 초기의 별 및 은하에 대한 연구를 수행하려는 목적을 가지고 있다. 우주 초기의 원시성 (종족 III)들이 초기 은하를 형성하면서 오늘날 관측되는 근적외선 파장 대역에 두가지 특징 적인 형상을 남기는데, 하나는 Ly-α 분광 형상이고, 다른 하나는 공간적 비등방성이다 (Cooray & Yoshida 2004).
	CIBER 프로젝트의 주축은 누구인가?	2006년 8월에 “우주용 적외선카메라 개발 및 로켓관측”과제가 기초기술연구회의 협동과제로 선정됨으로써 한국 천문연구원(KASI), 한국기초과학지원연구원(KBSI), 그리고 경희대학교로 구성된 적외선 연구 그룹이 적외선 우주배경복사 관측 국제 공동 연구(Cosmic Infrared Background ExpeRiment, CIBER)에 본격적으로 참여하게 되었다. CIBER 프로젝트는 미국의 제트추진연구소 (Jet Propulsion Laboratory, JPL) 및 일본의 우주과학연구소 (Institute of Space and Astronautical Science, ISAS) 등이 주축이 되어 진행하는 국제 공동 연구로서, 미국 NASA 의 과학로켓에 적외선 카메라 및 분광기를 탑재하여 근적외선 (1-2 μm) 영역에서의 우주배경복사를 관측함으로써 우주 초기의 별 및 은하에 대한 연구를 수행하려는 목적을 가지고 있다. 우주 초기의 원시성 (종족 III)들이 초기 은하를 형성하면서 오늘날 관측되는 근적외선 파장 대역에 두가지 특징 적인 형상을 남기는데, 하나는 Ly-α 분광 형상이고, 다른 하나는 공간적 비등방성이다 (Cooray & Yoshida 2004).

참고문헌 (11)

Bernstein, R. A., Freedman, W. L. & Madore, B. F., 2002, The First Detection of the Extragalactic Background Light at 3000, 5500, and 8000 A. II. Measurement of Foreground Zodiacal Light, ApJ, 571, 56

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Bock, J. et al., 2006, Observations of the temperature and polarization anisotropies with BOOMERANG 2003, New Astronomy Review, 50, 215

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Cambresy, L. et al., 2001, The Cosmic Infrared Background at 1.25 and 2.2 Microns Using DIRBE and 2MASS: A Contribution Not Due to Galaxies?, ApJ, 555, 563

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Cooray, A. & Yoshida, N., 2004, First sources in infrared light: stars, supernovae and miniquasars, MNRAS, 51, L71
Kashlinsky, A. et al., 2002, Detection of Small-Scale Fluctuations in the Near-Infrared Cosmic Infrared Background from Long-Exposure 2MASS Fields, ApJ, 579, 53

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Kashlinsky, A., Arendt, R. G., Mather, J. & Moseley, S. H., 2005, Tracing the first stars with fluctuations of the cosmic infrared background, Nature, 438, 45

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Kelsall, T. et al., 1998, The COBE Diffuse Infrared Background Experiment Search for the Cosmic Infrared Background. II. Model of the Interplanetary Dust Cloud, ApJ, 508, 44

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Matsumoto, T. et al., 2005, Infrared Telescope in Space Observations of the Near-Infrared Extragalactic Background Light, ApJ 626, 31

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Odenwald, S., Kashlinsky, A., Mather, J. C., Skrutskie, M. F., & Cutri, R. M., 2003, Analysis of the Diffuse Near-Infrared Emission from Two-Micron All-Sky Survey Deep Integration Data: Foregrounds versus the Cosmic Infrared Background, ApJ, 583, 535

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Reynolds, R. J., Madsen, G. J. & Moseley, S. H., 2004, New Measurements of the Motion of the Zodiacal Dust, ApJ, 612, 1206

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Wright, E. L., 2001, DIRBE minus 2MASS: Confirming the Cosmic Infrared Background at 2.2 Microns, ApJ, 553, 538

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