First light galaxies have predictable linear clustering, and are expected to produce fluctuations with a characteristic spatial power spectrum, which peaks at an angular scale of ~ 10 arcminutes and in the $1-2{\mu}m$ spectral regions. The Cosmic Infrared Background ExpeRiment 2 (CIBER2) ...
First light galaxies have predictable linear clustering, and are expected to produce fluctuations with a characteristic spatial power spectrum, which peaks at an angular scale of ~ 10 arcminutes and in the $1-2{\mu}m$ spectral regions. The Cosmic Infrared Background ExpeRiment 2 (CIBER2) is a dedicated sounding rocket mission for measuring the fluctuations in the extragalactic infrared background light, following up the previous successful measurements of CIBER1. With a 28.5 cm telescope accompanied with three arms of camera barrels and a dual broadband filter on each H2RG (${\lambda}_c=2.5{\mu}m$) array, CIBER2 can measure 6 bands of wide field ($1.1{\times}2.2$ degrees) up to 3 AB magnitudes deeper than CIBER1. This project is leaded by California Institute of Technology/Jet Propulsion Laboratory, collaborating internationally with Institute of Space and Astronautical Science in Japan, Korea Astronomy and Space Science Institute, Korea Basic Science Institute, and Seoul National University. The Korean team is in charge of 1) one H2RG scientific array, 2) ground station hardware and software, 3) telescope lenses, and 4) flight and test bed electronics fabrication. In this paper, we describe the detailed activities of the Korean participation as well as the current status of the CIBER2 project.
First light galaxies have predictable linear clustering, and are expected to produce fluctuations with a characteristic spatial power spectrum, which peaks at an angular scale of ~ 10 arcminutes and in the $1-2{\mu}m$ spectral regions. The Cosmic Infrared Background ExpeRiment 2 (CIBER2) is a dedicated sounding rocket mission for measuring the fluctuations in the extragalactic infrared background light, following up the previous successful measurements of CIBER1. With a 28.5 cm telescope accompanied with three arms of camera barrels and a dual broadband filter on each H2RG (${\lambda}_c=2.5{\mu}m$) array, CIBER2 can measure 6 bands of wide field ($1.1{\times}2.2$ degrees) up to 3 AB magnitudes deeper than CIBER1. This project is leaded by California Institute of Technology/Jet Propulsion Laboratory, collaborating internationally with Institute of Space and Astronautical Science in Japan, Korea Astronomy and Space Science Institute, Korea Basic Science Institute, and Seoul National University. The Korean team is in charge of 1) one H2RG scientific array, 2) ground station hardware and software, 3) telescope lenses, and 4) flight and test bed electronics fabrication. In this paper, we describe the detailed activities of the Korean participation as well as the current status of the CIBER2 project.
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문제 정의
CIBER2에서는 다음과 같은 3단계의 에러 해결 전략을 사용한다. 1) 실험실에서 정밀한 영상 균질도를 측정하고, 2) 실제 관측에서 얻어진 균질 영상들을 중첩하여 관측 영상 균질도를 얻은 후, 3) 이 두가지를 이용하여 영상 균질도 오차가 최소화되는 영상 분석 방법을 찾는 것이다. CIBER2는 CIBER1보다 관측 감도가 약 3 AB 등급 정도 더 좋으므로 실제 관측 영상에서 얻은 영상 균질도도 보다 정확할 것으로 기대하고 있다.
CIBER2의 첫 번째 과학적 목표는 CIBER1로 관측한 적외선 우주배경복사의 요동을 가시광선 영역까지 확대하여 관측하는 것이다. 이 영역이 중요한 이유는 Figure 2와 같이 모델에 따른 EOR과 IHL 값이 가시광선 영역에서 더욱 분명히 구별되고, 다파장의 분광 정보가 IHL의 생성 역사에 대한 구체적 정보를 제공하기 때문이다.
이 영역이 중요한 이유는 Figure 2와 같이 모델에 따른 EOR과 IHL 값이 가시광선 영역에서 더욱 분명히 구별되고, 다파장의 분광 정보가 IHL의 생성 역사에 대한 구체적 정보를 제공하기 때문이다. 두 번째 목표는 은하외부 배경복사 EBL의 정확한 절대 광량을 측정하는 것이다. CIBER1의 관측 결과에 따르면 EBL은 지금까지 알려진 외부 은하의 총합보다 큰 것으로 밝혀졌는데, CIBER2의 관측을 통해 그 값을 정확히 측정할 것이다.
가설 설정
CIBER2 개발에서 한국의 역할은 크게 3가지이다. 1) 한 개의 H2RG 적외선 센서 제공 및 전자부 비행 모델 개발, 2) 지상 전자 장비 하드웨어, 소프트웨어 제공 및 시험 인력 제공, 3) 광학시스템 렌즈 등 광기계 부품 제공이다. 위에서 1)번과 2)번 항목은 한국천문연구원에서 미국 Caltech(캘리포니아 공과대학)과의 2011년 연구 협약(Memorandum of Understanding, MOU) 체결을 통해 추진하고 있고, 3)번은 한국기초과학지원연구원이 일본 우주과학연구소(ISAS)와의 연구협약(2014년) 체결 이후 지원될 예정이다.
제안 방법
5 cm의 주경에 3대의 적외선 카메라가 장착되는 기기로써, NASA의 과학로켓에 탑재되어 근적외선 우주배경복사를 관측함으로써 우주 초기 별 및 은하에서 방출되는 빛의 스펙트럼과 공간적 분포를 연구할 계획이다. CIBER1의 경험을 바탕으로 시스템 오차 요소를 최소화하였으며, 새로운 적외선센서 및 센서구동 기술을 사용하여 최적의 성능을 구현하도록 설계하였다. 미국 NASA 제트추진연구소, 일본 우주과학연구소와 공동으로 추진하는 이 프로젝트에 한국에서는 한국천문연구원과 한국기초과학지원연구원 그리고 서울대학교에서 참여하고 있다.
CIBER2는 28.5 cm의 카세그레인 방식 주경에 광분배기를 사용하여 3대의 카메라가 장착되는 형상을 이루고 있으며 각 카메라에는 2K x 2K HAWAII-2RG(H2RG, 임계파장 λc = 2.5 μm) 검출기 위에 2개의 밴드 필터를 부착하여 0.6 - 2.1 μm의 파장 대역을 6 개의 구간으로 나누어 관측한다.
여기에 적외선 센서가 3개이므로 3개의 100 Mbps 직렬 통신 성능이 필요하다. 우리는 고속 SERDES 인터페이스와 광케이블을 사용함으로써 로켓이 발사 레일 위에 설치되어 100 m 이상의 거리가 떨어질 경우에도 안정적으로 지상 전자 장비로 자료가 전송될 수 있도록 하였다. GSE에서 운용되는 소프트웨어로써 LabWindows를 사용하여 데이터 수집하드웨어를 조정하는 동시에, Graphic User Interface (GUI)를 구현할 예정이다.
한편, 온도의 변이에 따른 적외선센서 암잡음의 변화를 막기 위하여 초점면부분 전체는 단열 설계되어 온도 변화가 10 μK/s 이하로 유지되도록 하였다.
이론/모형
본 연구는 기초기술연구회의 협동연구과제인 “우주용 30 cm급 극저온 적외선 광기계 개발”의 일환으로 수행되었다.
이상적으로는 상하의 기준 픽셀들은 적외선 센서 전체 출력의 공통 오프셋을 제거하는데 쓰이고, 좌우의 기준 픽셀들은 특정 라인의 잡음을 제거하는데 쓰이는데, 그 이유는 같은 라인의 기준 픽셀은 관측 픽셀보다 불과 수 밀리초 이내에서 동시에 읽히기 때문이다. 우리는 기준 픽셀을 더 자주 이용하는 방법 (Rauscher, 2011)을 사용하여 센서 잡음을 최소화 할 계획이다.
성능/효과
두 번째 목표는 은하외부 배경복사 EBL의 정확한 절대 광량을 측정하는 것이다. CIBER1의 관측 결과에 따르면 EBL은 지금까지 알려진 외부 은하의 총합보다 큰 것으로 밝혀졌는데, CIBER2의 관측을 통해 그 값을 정확히 측정할 것이다. 마지막으로, CIBER2에는 6개의 광대역 밴드 이외에 선형분광필터(LVF, Linear Variable Filter)를 장착하여 0.
Figure 2에서 CIBER2의 기기 사양에 따라 시물레이션한 적외선 우주배경복사의 요동 관측을 CIBER1과 비교하여 나타내었다. CIBER2의 6개 밴드에 대해 한번의 관측 결과(밝은 초록)와 다수의 관측을 종합하여 약 3배의 감도를 얻은 결과(어두운 초록)를 보여준다. Figure에서 하늘색 영역은 조석 효과로 은하 에서 떨어져 나온 별들의 빛(IHL, Inter-Halo Light)이며, 파란선, 노란선, 빨간선은 각각 z > 6, z > 8, z > 10 일 때의 재이온화 시기(EOR, Epoch of Reionization)의 빛의 합을 시뮬레이션 한 결과이다(Bock, 2012).
다만 CIBER2 부경지지 구조물은 이미지 상에 회절 스파이크를 야기하는데, 이부분을 제거하기 위해 좀 더 많은 수의 픽셀을 제거하게 된다. 계산 결과, 밝은 점광원에 대해서도 오직 5% 미만의 픽셀 수만 더 제거하면 되는 것으로 나타났다.
복잡한 광기계 시스템을 가진 CIBER2는 잡광이 생길수 밖에 없는데, 우리는 광경로를 순방향으로 따라가는 잡광 해석과 센서 표면에서부터 역으로 따라가는 잡광 해석을 모두 수행하여 입사되는 잡광이 무시할 수 있을 정도로 작음을 확인하였다.
CIBER2는 열잡음을 최소화하기 위해 저온용기 안의 액체질소(LN2)를 이용하여 절대 온도 ~ 80 K로 냉각된 상태에서 동작하며 고속 저잡음 전자부 (Warm electronics)를 이용하여 관측 자료 저장 및 로켓에의 자료 전송을 수행한다. 초점면부분(Focal Plane Assembly) 안의 H2RG 적외선센서에서 32 채널의 출력신호를 검출하여 전체를 읽어드리는데 총 1.34 초의 시간이 소요되며, CDS(Correlated Double Sampling) 방식으로(Lee et al., 2010) 읽을 때 12 e-의 전자 잡음이 검줄 됨을 확인하였다. 한편, 온도의 변이에 따른 적외선센서 암잡음의 변화를 막기 위하여 초점면부분 전체는 단열 설계되어 온도 변화가 10 μK/s 이하로 유지되도록 하였다.
후속연구
2015년에 조립, 시험 및 검교정을 거쳐 NASA에서 발사될 CIBER2 프로젝트는 국제 선도적인 관측 데이터를 제공하고, 첨단 우주 적외선 기술을 직접 개발함으로써 차후의 적외선 우주망원경 개발의 초석이 될 것이다.
CIBER2는 28.5 cm의 주경에 3대의 적외선 카메라가 장착되는 기기로써, NASA의 과학로켓에 탑재되어 근적외선 우주배경복사를 관측함으로써 우주 초기 별 및 은하에서 방출되는 빛의 스펙트럼과 공간적 분포를 연구할 계획이다. CIBER1의 경험을 바탕으로 시스템 오차 요소를 최소화하였으며, 새로운 적외선센서 및 센서구동 기술을 사용하여 최적의 성능을 구현하도록 설계하였다.
1) 실험실에서 정밀한 영상 균질도를 측정하고, 2) 실제 관측에서 얻어진 균질 영상들을 중첩하여 관측 영상 균질도를 얻은 후, 3) 이 두가지를 이용하여 영상 균질도 오차가 최소화되는 영상 분석 방법을 찾는 것이다. CIBER2는 CIBER1보다 관측 감도가 약 3 AB 등급 정도 더 좋으므로 실제 관측 영상에서 얻은 영상 균질도도 보다 정확할 것으로 기대하고 있다.
마지막으로, CIBER2에는 6개의 광대역 밴드 이외에 선형분광필터(LVF, Linear Variable Filter)를 장착하여 0.5 < λ < 2.0 μm 대역에서 파장별 측광을 수행함으로써 CIBER1의 LRS(Low Resolution Spectrometer)와 비교할 예정이다(Figure 3).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CIBER2의 목적은?
CIBER2(Cosmic Infrared Background ExpeRiment 2)는 2009년부터 2013년까지 4차례에 걸쳐 성공적으로 발사된 CIBER1의 후속 과제로써 미국 NASA의 과학로켓에 근적외선 망원경을 탑재하여 근적외선(1-2 μm) 영역에서의 우주배경복사를 관측함으로써 우주 초기의 별 및 은하에 대한 연구를 수행하려는 목적을 가지고 있다 (LEE et al., 2006; Bock et al.
은하외부 배경복사에 남은 것은?
은하외부 배경복사(Extragalacic Background Light, EBL)에는 우주가 진화하면서 남긴 역사적 흔적이 남아 있다. 우주 최초의 은하들에서 발생한 자외선 또는 가시광선 파장의 광자들은 오늘날 근적외선 영역의 EBL 에서 관측되는데, 이러한 우주 최초의 은하들에 대한 직접적인 관측은 황도광과 같은 전경(foreground) 잡음 때문에 어려우나, 공간적 비등방성을 이용한 spatial power spectrum을 이용하면 관측이 가능하다(Cooray & Yoshida, 2004; Kashlinsky et al.
은하외부 배경복사에서 관측되는 것은?
은하외부 배경복사(Extragalacic Background Light, EBL)에는 우주가 진화하면서 남긴 역사적 흔적이 남아 있다. 우주 최초의 은하들에서 발생한 자외선 또는 가시광선 파장의 광자들은 오늘날 근적외선 영역의 EBL 에서 관측되는데, 이러한 우주 최초의 은하들에 대한 직접적인 관측은 황도광과 같은 전경(foreground) 잡음 때문에 어려우나, 공간적 비등방성을 이용한 spatial power spectrum을 이용하면 관측이 가능하다(Cooray & Yoshida, 2004; Kashlinsky et al., 2005).
참고문헌 (14)
Bock, J.. Battle, J., Cooray, A., et al., 2006, The Cosmic Infrared Background Experiment, New Astronomy Review, 50, 215
Bock, J., 2012, Assembling the Infrared Extragalactic Background Light with CIBER2: Probing Inter-halo Light and the Epock of Reionization, NASA Proposal
Bock, J., Sullivan, I., Arai, T., et al., 2013, The Cosmic Infrared Background Experiment (CIBER): The Wide-field Imagers. ApJS, 207, 32
Cooray, A. & Yoshida, N., 2004, First sSources in Infrared Light: Stars, Supernovae and Miniquasars, MNRAS, 51, L71
Kashlinsky, A., Arendt, R. G., Mather, J. & Moseley, S. H., 2005, Tracing the First Stars with Fluctuations of the Csmic Infrared Background, Nature, 438, 45
Lee, D. H., Nam, U. W., Lee, S. H., Jin, H., Yuk, I. S., Kim, G. H., & S. Pak, 2006, International Cooperation of the Cosmic Infrared Background Experiment, PKAS, 21, 2
Lee, D. H., Kim, M. G., Tsumura, K., et al., 2010, Analysis of Dark Data of the PICNIC IR Arrays in the CIBER, JASS, 27, 401
Lee, D. H., Jeong, W. S., Moon, B., et al., 2013, Near-infrared Imaging Spectrometer for NEXTSat-1, SDW Workshop
Rauscher, B. J., Arendt, R. G., Fixsen, D. J., Lindler, D., Loose, M., & Moseley, S. H., 2011, Reducing the Read Noise of H2RG Detector Arrays: Eliminating Correlated Noise with Efficient Use of Reference Signals, AAS, 43
Tsumura, K., Battle, J., Bock, J., et al., 2010, Observations of the Near-infrared Spectrum of the Zodiacal Light with CIBER, ApJ, 719, 394
Zemcov, M., Arai, T., Battle, J., et al., 2013, The Cosmic Infrared Background Experiment (CIBER): A Sounding Rocket Payload to Study the near Infrared Extragalactic Background Light, ApJS, 207, 31
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