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천문연, 세계 최초 전천(全天) 영상분광 탐사 우주망원경(SPHEREx) 성능 시험장비 개발 완료

하이거 2022. 8. 17. 11:13

천문연, 세계 최초 전천(全天) 영상분광 탐사 우주망원경(SPHEREx) 성능 시험장비 개발 완료

작성일 2022-08-17 부서 거대공공연구정책과

 


천문연, 세계 최초 전천(全天) 영상분광 탐사 우주망원경(SPHEREx) 성능 시험장비 개발 완료
- 스피어엑스(SPHEREx) 극저온 진공챔버 개발 및 미국 설치 완료-
- 미 항공우주국(NASA), 2025년 4월 발사 예정 -

□ 과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국천문연구원(원장 박영득, 이하 ‘천문연’)이 미 항공우주국 스피어엑스(NASA SPHEREx*) 우주망원경 성능 시험을 위한 장비 개발을 완료했다고 밝혔다.
* Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer
ㅇ 해당 장비는 스피어엑스(SPHEREx) 망원경의 성능을 지상에서 정밀하게 시험하기 위한 시험 장비로, 천문연이 2019년 8월 개발 착수해 약 3년 만에 개발을 완료하고 지난 6월 미국으로 이송해 설치를 마쳤다.
□ 천문연이 이번에 개발한 장비 중 핵심장비는 극저온 진공챔버다.
ㅇ 우주에서 적외선을 관측하려면 우주의 온도보다 한층 저온으로 냉각되는 망원경이 필요하다. 스피어엑스(SPHEREx)에 최적화해 개발한 이 진공챔버는 망원경이 우주에서 냉각되어 도달할 영하 220도 이하의 극저온 진공상태를 구현하며,
ㅇ 앞으로 개발할 스피어엑스(SPHEREx) 망원경을 넣고 시험을 하여 망원경이 촬영하는 사진 속에서 초점이 고르게 제대로 맞춰지는지 검증하고, 사진의 각 부분에서 어떤 파장 즉, 어떤 색깔이 보이는지를 측정하는 역할을 하게 된다.

□ 극저온 챔버에서 스피어엑스(SPHEREx) 망원경의 성능을 시험하기 위해서는 거대한 챔버 자체뿐만 아니라 고가의 망원경을 안전하게 집어넣을 수 있는 보조 장비 등도 필요하다.
ㅇ 천문연은 스피어엑스(SPHEREx) 망원경 정밀 로딩 장비도 함께 개발했다. 뿐만 아니라 극저온에서 파장과 초점을 측정할 적외선 빛을 평탄하게 만들어주는 장치 등 보조 광학 장비들도 설계·제작했다.
□ 스피어엑스(SPHEREx)는 ‘전천(全天) 적외선 영상분광 탐사를 위한 우주망원경’이며 미 항공우주국 제트추진연구소(이하 ‘JPL’) 및 미국 캘리포니아 공과대학(이하 ‘Caltech’) 등 12개 기관이 참여하는 프로젝트이다.
ㅇ 프로젝트의 주요 하드웨어는 우주에서 냉각을 위한 외곽 차폐막(JPL), 적외선 검출기를 포함한 관측 기기(Caltech), 적외선 망원경(Ball Aerospace), 스피어엑스(SPHEREx)의 극저온 성능시험 장비(천문연)로 각 기관이 역할 분담해 개발하고 있다.
ㅇ 이번 천문연의 스피어엑스(SPHEREx) 극저온 성능시험 장비 개발 설치 완료는 전체 스피어엑스(SPHEREx) 프로젝트 차원에서 2021년 상세 설계 이후 본격적으로 스피어엑스(SPHEREx) 하드웨어 개발이 가시화되는 것을 의미한다.
□ 천문연과 스피어엑스(SPHEREx) 연구팀은 2023년 상반기 미국 Caltech에서 망원경의 광학성능을 검증하는 검교정 시험을 진행할 예정이다.
ㅇ 천문연은 설치한 극저온 진공 챔버를 활용하여 망원경의 우주환경시험을 주도하고, 관측자료 분석 소프트웨어 개발 및 핵심 과학연구 등에 참여할 예정이다.
□ 스피어엑스(SPHEREx)는 계획상 2025년 4월에 태양동기궤도*로 발사돼 약 2년 6개월 동안 온 하늘을 총 네 번 102개의 색깔로 촬영하는 임무를 수행할 예정이다.
* 위성 궤도면의 회전 방향과 주기가 지구의 공전 방향과 주기와 같은 궤도로서 태양과 항상 일정한 각도를 유지
□ Caltech에서 스피어엑스(SPHEREx) 관측기기 개발을 총괄하고 있는 기기 과학자인 필 콘굿(Phil Korngut) 박사는 “극저온 상태에서 우주망원경의 초점을 유지하는 것은 대단히 중요하며, 천문연의 진공챔버가 스피어엑스(SPHEREx) 발사에 있어 크게 기여하고 있다”라고 말했다.
□ 한국 측 연구책임자인 천문연 정웅섭 박사는 “제임스웹 우주망원경의 경우, ‘좁은’ 지역을 정밀하게 관측하는 데 반해, 스피어엑스(SPHEREx)는 ‘넓은’ 지역의 기본적인 물리적 특성을 제공하는 망원경”이라며,
ㅇ “추후 스피어엑스(SPHEREx)로 발견한 천체를 제임스웹 우주망원경, 거대마젤란망원경 등을 활용한 후속 관측 및 연구가 가능하다”고 밝혔다.
ㅇ 또한, 우주기술 측면에 있어서는 “이번 미 항공우주국과의 성공적인 공동 개발을 통해 적외선 우주망원경의 극저온 성능 시험 분야의 우주기술도 선진국 수준으로 도약할 수 있다”고 전했다.
□ 과기정통부 권현준 거대공공연구정책관은 “한국이 이번에 개발한 장비는 스피어엑스(SPHEREx) 프로젝트에서 가장 주요 하드웨어 장비 중 하나“라며
ㅇ ”우주 관측 분야를 선도 할 수 있는 핵심 기술 확보를 위해 세계 유수의 연구기관과 공동연구를 확대해나갈 계획”이라고 밝혔다

붙임1 스피어엑스(SPHEREx) 개요

□ 스피어엑스(Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer)
ㅇ 스피어엑스(SPHEREx)*는 ‘전천(全天) 적외선 영상분광 탐사를 위한 우주망원경’으로, 대기에 흡수되기 때문에 지상에서는 관측이 불가능한 적외선을 볼 수 있는 우주망원경이다. 미국 Caltech 주관으로 한국천문연구원과 미 항공우주국 제트추진연구소(JPL) 등 12개 기관이 참여하는 프로젝트이다.
ㅇ 2015년부터 시작된 2,800억 원 규모의 미 항공우주국 중형미션이며, 2021년 상세 설계 단계를 통과해 망원경이 제작되고 있다. 천문연은 2016년 기획 단계에서부터 참여했으며, 스피어엑스(SPHEREx) 프로젝트에서 유일한 국제 협력 기관이다.
ㅇ 영상분광 기술을 이용해 온 하늘(전천, 全天)을 총 102개의 색깔로 촬영할 수 있다. 영상분광 기술이란 넓은 영역을 동시에 관측할 수 있는 ‘영상관측(Imaging)’과 개별 천체의 파장에 따른 밝기의 변화를 측정하는 ‘분광관측(Spectroscopy)’이 통합된 기술이다.
ㅇ 전체 하늘에 대한 적외선 분광 탐사는 전 세계적으로 처음 이루어지는 대규모 우주 탐사 관측이다. 2025년 4월에 발사되어 약 2년 6개월 동안 0.75 ~ 5.0μm 파장 범위에서, 낮은 분광 분해능(λ/Δλ = 40 – 150)으로 전천 탐사를 수행할 계획이다. 약 20억 개의 천체들에 대한 개별적인 분광 자료를 획득할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 스피어엑스(SPHEREx)는 이러한 방대한 관측자료를 통해 우주의 3차원 공간 정보를 획득함으로써 적외선 우주배경복사의 수수께끼를 푸는 실마리를 찾고, 생명체가 존재할 수 있는 행성계 탐사 연구에 기여할 것으로 기대된다. 또한 스피어엑스(SPHEREx)로 확인된 특이 천체를 중심으로 JWST를 활용한 후속 관측 수행 및 연구 예정이다. 
ㅇ 스피어엑스(SPHEREx) 프로젝트 누리집 : http://spherex.caltech.edu/

<참고 : 스피어엑스(SPHEREx) 컨소시엄 참여기관 명단 및 주요 역할 >
참여기관 주요 연구수행 내용
California Institute of Technology 주관기관, 적외선 관측기기 개발, 관측 소프트웨어 개발, 관측자료 처리 및 배포
(Caltech, 캘리포니아공과대학)
한국천문연구원 극저온 진공챔버 개발, 검교정 시험장비 구축, 적외선 우주관측기기 개발, 관측자료 파이프라인 구축 및 과학연구 수행
NASA Jet Propulsion Laboratory 프로젝트 관리, 적외선 우주관측기기 개발, 미션 운영, 탑재체 개발 및 조립
(JPL, 제트추진연구소)
Ball Aerospace 위성체 개발 및 조립
(볼 에어로스페이스)
Harvard- Smithonian Center for Astrophysics 관측자료 처리 및 과학연구 수행
(하바드-스미소니안 천체물리연구센터)
University of California Irvine
(캘리포니아주립대학교 어바인)
Arizona State University
(아리조나주립대학교)
Rochester Institute of Technology
(로체스터공과대학교)
Argonne National Laboratory
(아르곤국립연구소)
University of Arizona 과학연구 수행
(아리조나대학교)
Johns Hopkins University
(존스홉킨스대학교)
Ohio State University
(오하이오주립대학교)
붙임2 사진 및 영상


< 스피어엑스(SPHEREx) 최근 확정된 단면도와 운영 상상도 >


< 스피어엑스(SPHEREx) 검교정 장비 개발에 참여한 연구진 >
ㅇ 스피어엑스(SPHEREx) 영상 : https://spherex.caltech.edu/videos
붙임3 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. 스피어엑스(SPHEREx)의 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. 스피어엑스(SPHEREx)는 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 스피어엑스(SPHEREx)가 동작할 우주환경과 같은 온도, 진공 상태를 제공할 수 있는 대형 실험 기기이다. 스피어엑스(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.
붙임4 스피어엑스(SPHEREx) 관련 추가 설명자료
□ 천문 우주과학을 위한 미 항공우주국의 미션 및 단계
ㅇ 미 항공우주국는 우주개발 로드맵을 추진하기 위해 주요 우주개발 미션을 소형, 중형 미션으로 나누어 후보들을 선정(아래 표 참조)하고, 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.

소형미션(SMEX) 중형미션(MIDEX) 대형미션(Flagship Mission)
단계 1단계(기획연구) - 2단계(미션선정) 10년 장기 검토 - 미션 선정
예산 총 1,400억원 (120 million) 총 2,400억원 (200 million) 총 1조원 이상 (1 billion 이상)
선정 10개 내외 제안, 1개 미션 선정 7개 내외 제안, 1개 미션 선정 허블 우주망원경, 
스피어엑스(SPHEREx) 제임스웹 우주망원경 등
기간 개발기간 4년 개발기간 5년 선정 미션에 따른 기간 설정
특징 참여 기관들의 연구개발 역량 및 예산 매칭이 중요 과학적 임팩트가 있으며,  약 10년 주기의 장기 계획 수립을 위한 관련 학계 전체 의견을 반영된 미션 선정
SMEX 예산 규모를 넘는 미션