뉴 월드 미션
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1. 개요
뉴 월드 미션은 외계 행성을 직접 탐지하고, 지구와 유사한 외계 행성을 찾아 분석하는 것을 목표로 2002년 NASA에서 처음 제시된 개념이다. 2005년부터 2008년까지 미국 정부의 지원을 받았으나, 예산 부족과 우선순위 변경으로 현재는 중단되었다. 이 미션은 스타셰이드라는 가림막을 사용하여 별빛을 차단하고 외계 행성을 직접 관찰하는 기술을 개발하여, 외계 행성의 대기를 분석하고 생명체 존재 가능성을 탐색하는 데 기여하고자 했다. NASA, JPL, Caltech 등 여러 기관의 지원과 투자를 받아 개발되었으며, 우주 탐사의 새로운 지평을 열고 인류의 생존과 번영에 대한 질문에 답하는 데 기여할 것으로 기대되었다.
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| 뉴 월드 미션 | |
|---|---|
| 뉴 월드 미션 | |
| 개요 | |
| 유형 | 제안된 오컬터 |
| 관리 기관 | NASA |
| 제작일 | 2005년 |
| 별명 | 스타 셰이드, 스타 쉐이드 |
| 임무 세부 사항 | |
| 기술 사양 | |
| 장비 | |
| 기타 정보 | |
2. 역사와 제작 배경
NIAC에서 처음 개념이 제시되었으며, 2005년부터 2008년까지 미국 정부로부터 연구 자금을 지원받았다.[10] 이후 NASA, JPL, Caltech, 콜로라도 대학교, 볼 에어로스페이스, 노스럽 그러먼, SwRI 등 여러 기관이 참여하여 개발을 진행하기로 결정했다. 미국 의회는 최종적으로 지름 4m의 주경을 가진 우주망원경 개발에 30억달러를, 초대형 오컬터 개발에 7.5억달러를 배정했다.[11][12][13] 그러나 예산 부족 문제로 뉴 월드 미션은 현재 무기한 중단된 상태이다.
현재 외계 행성을 직접 탐지하는 것은 매우 어렵다. 이는 주로 다음과 같은 이유 때문이다.
3. 목적
이처럼 밝은 별 근처에서 어두운 행성을 관찰해야 하는 어려움은 천문학자들이 외계 행성을 직접 촬영하는 데 큰 장애물이 된다. 지금까지 극소수의 외계 행성만이 직접 촬영되었다.[3] 최초로 직접 촬영된 외계 행성인 2M1207b는 2M1207이라는 별 주위를 공전하는데, 천문학자들이 이 행성을 촬영할 수 있었던 이유는, 이 행성이 모항성에서 약 55 천문 단위(해왕성과 태양 거리의 약 두 배)나 떨어져 있는 매우 특이한 경우이기 때문이다. 또한 이 행성이 공전하는 별은 갈색 왜성으로, 매우 어둡다는 특징이 있다.
뉴 월드 미션은 이처럼 밝은 별 근처에서 지구형 행성을 찾아내는 어려움을 극복하고, 이들을 발견 및 분석하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 가림막(starshade)을 이용하여 별빛을 직접 차단하는 방법을 제안한다. 가림막은 관측 장비로 들어오는 별빛은 효과적으로 막으면서, 그 옆을 도는 행성의 빛은 통과시켜 행성을 관측할 수 있게 한다. 이 가림막은 지름 수십 미터 크기로 계획되었으며, 마일라와 유사한 가볍고 얇은 소재인 캡톤으로 제작될 예정이다.[6]
4. 방법
현재 외계 행성을 직접 탐지하는 것은 상당히 어렵다. 주요 이유는 다음과 같다.
- 외계 행성은 매우 멀리 떨어져 있어 모항성에 아주 가깝게 보인다. 가장 가까운 별조차 수 광년 거리에 있다. 이는 외계 행성을 찾기 위해 별에서 불과 수십 밀리각초 정도의 극히 작은 각도를 관측해야 함을 뜻한다. 이렇게 작은 각도는 천문 시상 현상 때문에 지상 망원경으로는 분해능의 한계로 구별하기 어렵다.
- 외계 행성은 모항성보다 훨씬 어둡다. 보통 별은 자신이 거느린 행성보다 약 10억 배나 밝다. 이 때문에 밝은 별빛 속에서 어두운 행성을 찾아내는 것은 거의 불가능에 가깝다.
밝은 별 바로 옆에 있는 어두운 행성을 관측해야 하는 어려움은 외계 행성 직접 촬영의 가장 큰 걸림돌이다. 지금까지 직접 촬영된 외계 행성은 극소수에 불과하다.[3] 최초로 직접 촬영된 외계 행성인 2M1207b는 2M1207이라는 갈색 왜성 주위를 공전한다. 천문학자들이 이 행성을 촬영할 수 있었던 이유는, 행성이 모항성인 어두운 갈색 왜성으로부터 약 55 천문 단위(태양-해왕성 거리의 약 두 배)나 멀리 떨어져 있는 매우 이례적인 경우였기 때문이다.
밝은 별빛 속에서 지구형 행성을 찾아내기 어려운 문제를 해결하기 위해, 뉴 월드 미션은 스타셰이드(starshade)라는 가림막을 이용해 별빛을 직접 차단하는 방식을 제안한다. 스타셰이드는 망원경으로 향하는 별빛을 가로막는 동시에, 그 옆을 도는 행성의 빛은 그대로 통과시켜 관측할 수 있게 한다. 이 스타셰이드는 지름 수십 미터 크기로 펼쳐지며, 마일라와 비슷한 가볍고 얇은 소재인 캡톤으로 제작될 예정이다.[6]
기존의 외계 행성 탐지 방법들은 대부분 간접적인 방식에 의존해왔다. 즉, 행성 자체를 보는 것이 아니라 행성의 존재로 인해 발생하는 현상을 관측하여 그 존재를 추론하는 것이다. 이러한 방법에는 천체 측정(근처 행성의 중력적 영향으로 별이 약간 움직이는 것을 관찰), 별의 시선 속도 변화 측정(도플러 효과), 식현상(transit, 외계 행성이 별 앞을 지나가면서 별빛 일부를 가리는 현상) 관측, 펄서 타이밍 변화 측정, 중력 렌즈 효과 이용, 원시 행성계 원반의 적외선 관측 등이 포함된다. 이런 간접적인 방법들은 행성의 존재를 설득력 있게 증명하지만, 행성의 모습을 직접 보여주지는 못한다.
뉴 월드 미션의 목표는 스타셰이드를 이용해 가까운 별에서 오는 빛을 차단하는 것이다. 이렇게 하면 별 주위를 공전하는 행성을 직접 관찰할 수 있다. 스타셰이드는 목표 별과 우주 망원경 사이의 시선 방향을 따라 수만 킬로미터(km) 떨어진 거리에서 망원경과 함께 비행하는 거대한 원반 형태의 구조물이다. 원반의 지름은 수십 미터가 될 것이며, 발사 시에는 기존의 소모성 발사체 내부에 맞게 접혀 있다가 우주 공간에서 펼쳐지도록 설계되었다.
이 방식의 기술적 난제 중 하나는 빛의 회절 현상이다. 별빛이 원반 가장자리를 지나며 회절되어 중앙 축(망원경 방향)에서 보강 간섭을 일으켜 밝은 점(아라고의 점)을 만들 수 있다. 이렇게 되면 가림막의 효과가 상쇄되어 여전히 별빛 때문에 행성을 관측하기 어렵게 된다. 이 현상은 과거 빛의 파동성을 부정하려던 시메옹 푸아송이 이론적으로 예측했던 것으로, 그는 원형 장애물 뒤 그림자 중심에 밝은 점이 생긴다는 결론이 비상식적이라고 생각했다. 그러나 도미니크 아라고의 실험을 통해 이 아라고의 점은 실제로 존재함이 증명되었다. 뉴 월드 미션에서는 스타셰이드의 모양을 특별하게 디자인하여 이 회절 효과를 상쇄시킨다. 원반의 바깥쪽 가장자리에 특수하게 모양을 낸 꽃잎(petal) 형태를 추가하면, 회절된 빛이 상쇄 간섭을 일으켜 아라고 점이 사라지고 별의 빛을 효과적으로 억제할 수 있다.
이 기술은 지구로부터 약 10 파섹(약 32 광년) 이내의 별에 대해 행성 탐지를 가능하게 할 것이다. 그 거리 내에는 수많은 외계 행성이 있을 수 있다고 추정된다. 스타셰이드는 아라고스코프(Aragoscope)와 개념적으로 유사한 면이 있지만 구별해야 한다.[4] 아라고스코프는 완벽한 원형 차단막 주변에서 발생하는 빛의 회절(아라고의 점)을 오히려 적극적으로 이용하여 이미지를 생성하도록 설계된 제안된 이미징 장치이다. 반면 스타셰이드는 해바라기 모양의 코로나그래프 원반으로, 다른 세계의 망원경 천문학 관측을 방해하는 별빛을 차단하도록 설계되었다. 스타셰이드의 "해바라기" 모양의 "꽃잎"은 아라고스코프의 주요 특징인 회절을 제거하도록 설계되었다.
스타셰이드 개념은 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 천체 물리학 및 우주 천문학 센터 소속 천체 물리학자인 웹스터 캐시(Webster Cash)가 설계한 우주선이다.[5] 제안된 스타셰이드는 이를 사용하지 않은 제임스 웹 우주 망원경과 같은 우주 망원경 또는 새로운 4미터 망원경과 함께 작동하도록 설계되었다.[6] 스타셰이드는 72000km 거리를 두고 우주 망원경 앞(망원경과 대상 별 사이)에서 비행하며, 지구에서 약 384000km 떨어져 지구의 태양 중심 궤도 밖에 위치한다.[7] 펼쳐지면 스타셰이드는 주변에 뾰족한 돌기가 있는 해바라기를 닮았다. 스타셰이드는 매우 큰 코로나그래프 역할을 한다. 즉, 멀리 있는 별의 빛을 차단하여 행성계와 관련된 행성을 더 쉽게 관찰할 수 있다. 펼쳐진 스타쉐이드는 밝은 별에서 수집된 빛을 최대 100억 배까지 줄일 수 있다. 강렬한 빛이 감소하면 천문학자들은 수십 광년 떨어진 외계 행성 대기에서 산소, 물, 메테인 등 생명체 존재 가능성을 시사하는 화학적 특징(생명체 표시)을 확인할 수 있을 것이다.[8] 이는 지적 외계 생명체 탐사에도 중요한 단서를 제공할 수 있다.
5. 목표
뉴 월드 미션의 주요 목표는 지구형 행성을 발견하고 분석하는 것이다. 세부적인 목표는 다음과 같은 단계로 나눌 수 있다.
=== 탐지 ===
먼저 우주 망원경과 '스타셰이드(starshade)'라고 불리는 특수한 가림막을 사용하여 외계 행성계를 직접 관측하여 탐지한다.
=== 시스템 매핑 ===
행성이 탐지되면, 모성(항성)으로부터 분리된 행성의 빛을 감지하여 행성계 전체의 모습을 파악한다. 충분히 해상도가 높은 이미지를 얻으면 행성은 개별적인 광점처럼 보이게 되며, 시간 경과에 따른 여러 이미지를 통해 행성의 궤도를 계산할 수 있다. 또한 행성의 밝기와 전반적인 색깔은 그 행성의 기본적인 특성에 대한 정보를 제공한다.
=== 행성 연구 ===
이 단계에서는 개별 행성에 대한 더 상세한 연구가 진행된다. 잡음이 적고 신호가 충분하다면 분광법과 측광법 분석을 수행할 수 있다. 분광법을 통해 과학자들은 행성 대기의 구성 성분이나 행성 표면의 특징을 화학적으로 분석할 수 있으며, 이는 우주의 다른 곳에 생명체가 존재할 가능성에 대한 중요한 단서를 제공할 수 있다. 측광법은 행성이 자전함에 따라 표면의 모습(바다, 대륙, 극관, 구름 등)이 변화하면서 나타나는 색상과 밝기의 변화를 감지하는 데 사용될 수 있다.
=== 행성 영상화 ===
행성의 표면을 직접 찍는 것과 같은 수준의 영상을 얻으려면 현재보다 훨씬 발전된 기술이 필요하다. 하지만 간섭계 기술을 이용하면 원리적으로는 가능하며, 행성의 자전축 경사에 따라 이론적으로는 행성 표면의 50%에서 100%까지 지도를 만들 수 있을 것으로 예상된다.
=== 행성 평가 ===
외계 행성 연구의 궁극적인 단계는 지구 관측 위성이 지구 표면을 연구하는 것처럼, 멀리 떨어진 외계 행성들을 상세하게 연구하는 능력을 갖추는 것이다. 이를 위해서는 행성 표면의 아주 작은 세부 사항까지 분석할 수 있을 만큼 충분한 빛을 모을 수 있는 거대한 망원경이 필요하다. 하지만 이러한 수준의 연구는 필요한 신호를 포착하기 위해 수 제곱킬로미터(1km2)에 달하는 집광 면적이 요구되기 때문에 가까운 미래에 이루어지기는 어렵다.
이 외에도 뉴 월드 미션은 지구형 행성뿐만 아니라 가스 행성도 발견하고 분석하는 것을 목표로 한다. 또한 스타셰이드 기술을 활용하여 별빛을 효과적으로 차단하고 행성을 직접 촬영함으로써, 외계 행성 주위를 도는 외계 위성이나 행성 고리의 존재 여부도 탐색할 계획이다. 이를 통해 발견된 위성이나 고리를 자세히 연구하고, 만약 가스 행성이 모성의 생물권 안에 위치한다면 그 위성이 생명체를 품을 수 있는 환경인지 등을 밝혀낼 수 있을 것이다.
6. 구조
뉴 월드 미션은 다음과 같은 다양한 구조로 구상되었다.
- 새로운 세계 탐사자(New Worlds Explorereng): 기존의 우주망원경(예: 제임스 웹 우주망원경)을 사용하여 외계 행성을 찾는 방식을 제안했다. 별 가리개의 크기는 관측에 사용하는 망원경에 맞게 최적화될 수 있다.
- 새로운 세계 관측자(New Worlds Observereng): 외계 행성을 찾기 위해 전용 망원경을 탑재한 우주선 1대와 별 가리개를 탑재한 우주선 1대, 총 2대의 우주선을 사용하는 방식이다. 별 가리개 2개를 사용하는 방안도 고려되었는데, 하나가 특정 목표 지점을 관측하는 동안 다른 하나는 다음 목표 지점으로 이동하는 방식이다. 이를 통해 다른 시스템을 관측하는 데 걸리는 시간 지연을 줄이고, 같은 시간 내에 더 많은 목표를 관측할 수 있다.[1]
- 새로운 세계 이미저(New Worlds Imagereng): 여러 대의 우주선과 별 가리개를 사용하여 행성의 상세한 모습을 포착하고 실제 이미지를 얻는 것을 목표로 한다.
7. 지원, 개발, 투자
뉴 월드 미션은 NIAC에서 처음 제시된 개념으로, 2005년부터 2008년까지 미국 정부로부터 연구 자금을 지원받았다.[10] 이후 NASA, JPL, Caltech, 콜로라도 대학교, 볼 에어로스페이스, 노스럽 그러먼, SwRI 등 여러 기관이 참여하여 개발하기로 결정했다. 주요 참여 기관은 다음과 같다.
이후 미국 의회는 4m 주경을 가진 우주망원경 개발에 30억달러, 초대형 오컬터 개발에 7.5억달러의 예산을 배정했다.[11][12][13] 그러나 예산이 부족해지면서 뉴 월드 미션은 현재 무기한 중단된 상태이다.
참조
[1]
간행물
The New Worlds Observer
http://cor.gsfc.nasa[...]
Dr. Webster Cash. University of Colorado, Boulder 2010
2016-11-18
[2]
간행물
New Worlds Technology Development for the New Worlds Observer
http://exep.jpl.nasa[...]
Dr. Webster Cash. University of Colorado, Boulder 2011
2016-03-05
[3]
웹사이트
The Extrasolar Planets Encyclopaedia
https://exoplanet.eu[...]
2008-01-24
[4]
뉴스
New space telescope concept could image objects at far higher resolution than Hubble
http://phys.org/news[...]
Phys Org
2015-01-23
[5]
웹사이트
New Worlds Website
http://newworlds.col[...]
2006-09-10
[6]
뉴스
Northrop Grumman Concept Uses Shade to Find New Planets
http://www.space.com[...]
2006-12-04
[7]
웹사이트
Starshade Specifications
http://newworlds.col[...]
2015-11-17
[8]
뉴스
CU Proposal To Image Distant Planets Is Funded For Second Round Of Study
http://www.colorado.[...]
2014-07-02
[9]
웹인용
New Worlds mission: Hunting for alien life using a starshade
https://www.spaceans[...]
2018-06-16
[10]
웹인용
CU Proposal To Image Distant Planets Is Funded For Second Round Of Study
https://www.colorado[...]
2018-06-16
[11]
웹인용
THE NEW WORLDS OBSERVER
https://cor.gsfc.nas[...]
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[13]
간행물
New Worlds Technology Development for the New Worlds Observer
http://exep.jpl.nasa[...]
Dr. Webster Cash. University of Colorado, Boulder 2011
2016-03-05
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