[논문]인공위성을 이용한 심우주 관측 기술

윤용식

인공위성을 이용한 심우주 관측 기술
Deep Space Observatory Technology using Satellite 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.12 no.2, 2013년, pp.64 - 73

윤용식 (항공우주미래기술팀)

초록
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심우주을 더욱 효율적으로 관측하기 위해서는 지구 대기권에 천체 망원경을 탑재한 인공위성을 운용하는 것이다. 미국과 EU 등 우주 선진국에서는 허블우주망원경, 케플러 및 허셜 우주 관측 위성 등에 의해 우주 정보를 획득하여 분석하고 있다. 본 논문에서는 외국의 주요 우주 관측 위성에 대한 사양 및 현황을 고찰하고, 국내의 심우주 탐사를 위한 기술과 계획 등에 대해 기술하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to observe the deep space more efficiently, a satellite installed with a telescope on earth is needed. Advanced countries in space such as U.S.A and E.U. etc. have obtained and analyzed informations and images of the space from Hubble telescope, Kepler space observatory and Herschel space observatory. This paper studied specifications and operation status of space observation satellite of the several foreign countries and described technologies and plans for the domestic deep space observation satellite.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대기권 밖 지구 궤도 상에 천체 망원경을 설치하여 운영하려는 목적은 천체 관측에 방해가 되는 지구상의 인공 광원 등에 의한 빛의 공해(light pollution)나 반짝거림 등을 없애기 위해서 이다. 우주 천체 관측은 대기권에 의해 심하게 감쇠되지 않는 전자기파 스펙트럼(electromagnetic spectrum)의 두 파장 범위인 광학 창(optical window)과 라디오 창(radio window)의 주파수 범위가 매우 중요하다.
특히, 허블 우주 천체 망원경, 케플러 우주 관측 위성과 허셜 우주 관측 위성의 상세한 사양과 운용 그리고 획득한 자료의 결과 등에 관하여 기술하였다. 또한 우주 선진국 들의 심우주 관측에 따른 향후 국내 기술 및 계획 등에 대하여 기술하고자 하였다.
본 논문에서는 전 세계 우주 망원경 및 관련된 우주 비행체의 역사와 개발 현황을 고찰하였다. 특히, 허블 우주 천체 망원경, 케플러 우주 관측 위성과 허셜 우주 관측 위성의 상세한 사양과 운용 그리고 획득한 자료의 결과 등에 관하여 기술하였다.
본 논문을 통하여 허블 우주 천체 망원경, 케플러 우주 관측 위성 및 허셜 우주 관측 위성 등을 제작하여 운용하고 있는 미국, EU 등의 심우주 관측과 운용 현황 등에 대하여 고찰 하였다. 이와 같이 전 세계적으로 환경오염과 기상 이변 등이 발생하고 있는 상황에서 우주 선진국에 의해 수행되고 있는 심우주 관측과 제2의 지구 행성 탐사 등은 국내 우주 및 위성 분야에 많은 영향을 주고 있다.
본 논문에서는 전 세계 우주 망원경 및 관련된 우주 비행체의 역사와 개발 현황을 고찰하였다. 특히, 허블 우주 천체 망원경, 케플러 우주 관측 위성과 허셜 우주 관측 위성의 상세한 사양과 운용 그리고 획득한 자료의 결과 등에 관하여 기술하였다. 또한 우주 선진국 들의 심우주 관측에 따른 향후 국내 기술 및 계획 등에 대하여 기술하고자 하였다.

제안 방법

먼저 허블의 문제를 해결하기 위해 고속 광도계를 제거하고 COSTAR를 설치하였다. 다음에 내부 광학 보정 시스템, 태양전지판과 관련 전장박스 및 4개의 자이로스코프 등을 교체하고 탑재 컴퓨터를 개선한 후 허블을 우주 공간에 올렸다. 이 작업은 10일 이상 소요되었고, 수리작업 후 1994년 1월 13일 NASA는 수리작업이 성공적으로 완료되었고, 그림 3과 같이 매우 선명한 사진 영상을 얻을 수 있었다고 발표하였다.
1993년 12월 우주왕복선 엔데버호에 의해 허블에 대한 1차 수리 작업이 수행되었다. 먼저 허블의 문제를 해결하기 위해 고속 광도계를 제거하고 COSTAR를 설치하였다. 다음에 내부 광학 보정 시스템, 태양전지판과 관련 전장박스 및 4개의 자이로스코프 등을 교체하고 탑재 컴퓨터를 개선한 후 허블을 우주 공간에 올렸다.
이를 해결하기 위해 COSTAR(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) 시스템을 설계·제작하였다.
이에 따라 케플러는 기존 보다 약 30 ∼ 600배 정도 작은 크기나 질량을 가진 행성을 발견할 수 있도록 설계되어 지구와 비슷한 환경을 가진 행성을 발견할 수 있도록 하였다.
케플러가 지구 크기의 행성을 발견하는 방법은 광도의 매우 작은 변화를 감지해 내는 것이므로 자체적으로 광도가 변하는 모든 항성이 이번 연구에 해당되지는 않는다. 처음 몇 달동안 케플러로부터 획득된 데이터에서 약 7,500개의 변광성(variable stars)을 연구 대상으로 선정하고, 연구 대상에서 제외되는 것이 생기면 후보군에서 새로 대체하도록 하였다.
4m이고 무게는 동일한 크기의 미러 보다 86% 가볍게 제작되었다. 항성 정면을 지나가는 상대적으로 작은 행성을 발견하기 위해 반사율이 높고, 충분한 감도를 가진 우주용 망원경 시스템인 미러를 제작하기 위하여 9개 층의 은 코팅(silver coating)하여 제작하였다.
허셜은 Milky Way 뿐만 아니라 태양계의 물체 그리고 심지어 수십억 광년 떨어져 갓 만들어지고 있는 은하계 물체로부터 빛을 감지해 내면서 다음과 같이 4가지 주요 임무를 수행하였다;

대상 데이터

2009년 5월부터 2012년 12월까지 케플러가 발견한 항성을 공전하는 행성 약 5,000 여개를 발견하였고, 그 중 지구 크기 행성은 약 630개, 지구 보다 큰 행성은 약 1,500개, 해왕성 크기 행성은 약 2,000개 목성 크기 행성은 약 570개 그리고 목성보다 큰 행성이 160개 등이다.
2010년 6월 15일 156,000개의 대상 행성 중 400개의 데이터를 발표하였다. 이들 첫 데이터에서 706개 행성은 지구 크기부터 목성 크기까지로 생명체가 생존 가능한 외계 행성의 후보로 선정되었다.
영상 카메라의 기능으로는 250, 350 및 500μm를 중심으로 각각 139, 88 및 43의 픽셜을 가진 세 개의 대역을 가지고 영상 처리할 수 있다.
2010년 6월 15일 156,000개의 대상 행성 중 400개의 데이터를 발표하였다. 이들 첫 데이터에서 706개 행성은 지구 크기부터 목성 크기까지로 생명체가 생존 가능한 외계 행성의 후보로 선정되었다. 그리고 2010년에 자기 항성보다 더 작고 뜨거운 행성을 가진 두 개의 항성 시스템 KOI(Kepler Object of Interest) 74와 KOI 81을 확인 하였다.

이론/모형

01%정도 감소되는 것을 이용하여 항성에 대한 행성의 경로를 반복하여 관측하는 경로 관측 방법(transit method)으로 지구 크기의 행성을 찾는다. 즉 광도의 감소 정도에 따라 행성의 지름을 알아낼 수 있고, 항성에 대한 행성 경로 사이의 간격으로 케플러 법칙을 이용하여 행성의 공전 주기를 유도할 수 있으며 행성의 온도도 계산할 수 있다.

성능/효과

특히 허블이 찍은 고해상도 스펙트럼과 영상으로 은하계 부근 핵(nuclei)에 블랙 홀(black holes)이 널리 퍼져 형성되어 있는 것을 알 수 있었다. 그리고 중심 블랙홀의 질량과 은하의 상태량이 밀접하게 관계되고 있음도 알게 되었다.
획득된 영상 분석을 통하여 문제의 원인을 파악한 결과 천체 망원경의 제1 미러가 10 나노미터 정도 규정된 곡선을 벗어나 가공되어 미러 가장자리에서 반사되는 빛이 미러 중심에 반사되는 빛과 다른 점에서 초점이 맞춰지는 구면 수차(spherical aberration)를 발생시키는 것으로 밝혀졌다.

후속연구

우주의 나이가 우주 중력과 밀접한 관련이 있으며, 현재에도 우주의 팽창이 실제로 계속 가속되고 있을 것으로 가정하여 우주에서의 허블과 지상 천체망원경에 의한 측정 결과를 가지고 더 정확한 관측을 수행할 수 있다. 따라서 이 결과들은 보다 정확한 우주 나이를 계산할 수 있는 이론적 근거를 제시할 수 있을 것으로 판단하고 있다.
특히, 국내의 심우주 탐사 및 천문 관측 등을 위해서는 별도의 정부 예산 확보뿐만 아니라 국내의 국제 우주 협력 사업을 위한 분위기 조성 그리고 국제 우주 사업에 적극적으로 참여해야할 것이다.
허블의 후속 위성으로 제임스 웹 우주천체 망원경(James Webb Space Telescope)이 2018년 발사될 예정이다.
현재 국내에서 수행되고 있는 한국형 우주 발사체 개발과 인공위성 및 달 탐사선 사업 등을 통해 획득되는 기술이 향후 국내에서 수행될 심우주 탐사에 기초 기술이 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심우주 관측이란?	심우주 관측(deep space observatory)은 먼 거리의 행성(planets), 은하(galaxies) 그리고 우주 물체의 관측을 의미하는 것으로 지구상의 정보 수집이나 자원 탐사 등을 목적으로 하는 지구 관측 위성과는 다르다[5]. 그리고 지구상에서 천문 관측을 수행하게 되면 대기권으로 인한 전자기 복사(electromagnetic radiation)의 필터링과 왜곡 등에 의해 제한을 받게 된다.
	지구 관측 위성의 목적은 무엇인가?	심우주 관측(deep space observatory)은 먼 거리의 행성(planets), 은하(galaxies) 그리고 우주 물체의 관측을 의미하는 것으로 지구상의 정보 수집이나 자원 탐사 등을 목적으로 하는 지구 관측 위성과는 다르다[5]. 그리고 지구상에서 천문 관측을 수행하게 되면 대기권으로 인한 전자기 복사(electromagnetic radiation)의 필터링과 왜곡 등에 의해 제한을 받게 된다.
	우주 천체 관측을 위해 대기권 밖 지구 궤도 상에 천체 망원경을 설치하는 이유는 무엇인가?	대기권 밖 지구 궤도 상에 천체 망원경을 설치하여 운영하려는 목적은 천체 관측에 방해가 되는 지구상의 인공 광원 등에 의한 빛의 공해(light pollution)나 반짝거림 등을 없애기 위해서 이다. 우주 천체 관측은 대기권에 의해 심하게 감쇠되지 않는 전자기파 스펙트럼(electromagnetic spectrum)의 두 파장 범위인 광학 창(optical window)과 라디오 창(radio window)의 주파수 범위가 매우 중요하다.

참고문헌 (13)

http://www.newsis.com/ar_detail/view.html?ar_idNISX20120109_0010161221&cID10101&pID10100
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Haewit, M, "The Hershel Mission", Advaced in space Research 568-572, 2004
http://en.wikipedia.org/wiki/Space_telescope
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Claven, Whitney, "Billions and Billions of Planets", NASA, Retrieved 3 Jan. 2013.
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"Herschel Instruments". Esa.int., Retrieved 2 May 2013.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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