콤프턴 감마선 천문대
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1. 개요
콤프턴 감마선 천문대(CGRO)는 1977년에 개발이 시작되어 1991년 4월 7일 발사된 NASA의 감마선 관측 위성이다. 20 keV에서 30 GeV에 이르는 전자기 스펙트럼을 포괄하는 4개의 관측 장비(BATSE, OSSE, COMPTEL, EGRET)를 탑재하여 감마선 폭발, 알루미늄 동위원소 지도, 은하 중심 연구, 펄서 및 초신성 잔해 탐사 등을 수행했다. 1999년 자이로스코프 고장으로 인해 2000년 6월 4일 대기권으로 진입하여 임무를 종료했다.
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| 콤프턴 감마선 천문대 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 컴프턴 감마선 관측선 |
| 원어 | Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) |
| 임무 유형 | 천문학 |
| 운영 기관 | NASA |
| 웹사이트 | 컴프턴 감마선 관측선 공식 웹사이트 |
| COSPAR ID | 1991-027B |
| SATCAT | 21225 |
| 임무 기간 | 9년 2개월 |
| 제작 정보 | |
| 제작사 | TRW Inc. |
| 발사 질량 | 16,329 kg |
| 전력 | 2000.0 와트 |
| 발사 정보 | |
| 발사일 | 1991년 4월 5일, 14:22:45 UTC |
| 발사 로켓 | OV-104, STS-37 |
| 발사 장소 | 케네디 우주 센터 LC-39B |
| 궤도 정보 | |
| 궤도 기준 시점 | 1991년 4월 7일, 18:37:00 UTC |
| 궤도 기준 | 지구 중심 |
| 궤도 영역 | 저지구 |
| 궤도 근지점 고도 | 362 km |
| 궤도 원지점 고도 | 457 km |
| 궤도 이심률 | 0.006998 |
| 궤도 경사 | 28.4610도 |
| 궤도 승교점 경도 | 68.6827도 |
| 궤도 주기 | 91.59 분 |
| 궤도 형태 | gee |
| 궤도 감쇠일 | 2000년 6월 4일, 23:29:55 UTC |
| 관측 장비 | |
| 장비 종류 | 망원경 (4개) |
| 망원경 종류 | 섬광 검출기 |
| 망원경 파장 | 엑스선 ~ 감마선, 20 keV – 30 GeV (40 pm – 60 am) |
| 탑재 장비 목록 | |
| BATSE | Burst and Transient Source Experiment (버스트 및 과도적 광원 실험) |
| OSSE | Oriented Scintillation Spectrometer Experiment (방향성 섬광 분광계 실험) |
| COMPTEL | Imaging Compton Telescope (이미징 컴프턴 망원경) |
| EGRET | Energetic Gamma Ray Experiment Telescope (고에너지 감마선 실험 망원경) |
| 프로그램 정보 | |
| 프로그램 | NASA 대형 천문대 |
| 이전 임무 | 허블 |
| 다음 임무 | 찬드라 |
| 프로그램 2 | 대형 전략 과학 임무 (천체 물리학 부문) |
2. 관측 장비
콤프턴 감마선 천문대(CGRO)는 20 keV에서 30 GeV (0.02 MeV에서 30000 MeV)에 이르는 넓은 범위의 전자기 스펙트럼을 관측하기 위해 4개의 주요 관측 장비를 탑재했다. 각 장비는 서로 다른 에너지 영역을 담당하여, 감마선 우주를 종합적으로 연구할 수 있도록 설계되었다.
- '''BATSE''' (Burst and Transient Source Experiment, 폭발 및 천이원 실험): 감마선 폭발을 탐색하고, 장기간 지속되는 광원에 대한 전천 탐사를 수행했다.
- '''OSSE''' (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment, 지향성 신틸레이션 분광계 실험): 0.05~10 MeV 에너지 범위의 감마선을 감지했다.
- '''COMPTEL''' (Imaging Compton Telescope, 영상 콤프턴 망원경): 0.75~30 MeV 에너지 범위에 맞춰져 있었으며, 광자 도착각 및 에너지 오차를 정밀하게 측정했다.
- '''EGRET''' (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope, 고에너지 감마선 실험 망원경): 20 MeV에서 30 GeV 사이의 고에너지 감마선원의 위치와 에너지를 측정했다.
2. 1. BATSE (Burst and Transient Source Experiment)
'''폭발 및 천이원 실험'''('''BATSE''')은 NASA의 마셜 우주비행센터가 개발한 실험 장비이다. 이 장비는 하늘에서 감마선 폭발(20 keV ~ 600 keV 초과)을 탐색하고, 장기간 지속되는 광원에 대한 전천 탐사를 수행했다. BATSE는 위성의 각 모서리에 하나씩, 총 8개의 동일한 검출기 모듈로 구성되었다.[5]각 모듈은 다음의 두가지 검출기로 구성되어 있다.
- NaI(Tl) 대면적 검출기(LAD): 직경 50.48cm, 두께 1.27cm (20 keV에서 약 2 MeV 범위 탐지)
- NaI 분광 검출기: 직경 12.7cm, 두께 7.62cm (상위 에너지 범위를 8 MeV까지 확장)
이 검출기들은 모두 우주선과 포획 방사선으로 인한 높은 배경 비율을 줄이기 위해 활성 반합치 플라스틱 섬광체로 둘러싸여 있었다. LAD의 급격한 증가율은 고속 데이터 저장 모드를 작동시켰고, 폭발의 세부 사항은 나중에 텔레메트리를 통해 확인했다. 9년간의 콤프턴 감마선 천문대(CGRO) 임무 동안 폭발은 일반적으로 하루에 약 한 개 비율로 감지되었다. 강력한 폭발은 약 0.1초에서 약 100초까지의 시간 간격 내에 수천 개의 감마선 관측으로 이어질 수 있었다.
2. 2. OSSE (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment)
미 해군 연구소에서 개발한 '''지향성 신틸레이션 분광계 실험'''(Oriented Scintillation Spectrometer Experiment, '''OSSE''')은 0.05~10 MeV 에너지 범위의 감마선을 감지할 수 있었다. 네 개의 검출기 모듈은 각각 개별적으로 조정 가능했으며, 감마선이 시야에 들어오면 감지했다. 각 검출기는 지름 303mm, 두께 102mm의 중앙 신틸레이션 분광계 결정(NaI(Tl))을 가지고 있었고, 이는 뒷면에서 비슷한 지름의 두께 76.2mm CsI(Na) 결정과 광학적으로 연결되어 있었다. 7개의 광전자 증배관으로 관측되었으며, 포스위치로 작동했다. 후면에서 발생한 입자 및 감마선 사건은 느린 상승 시간(~1 μs)의 펄스를 생성했는데, 이는 전면에서 발생한 순수 NaI 사건(더 빠른(~0.25 μs) 펄스 생성)과 전자적으로 구별될 수 있었다. 따라서 CsI 후면 결정은 능동적인 반일치 차폐 역할을 하여 후면에서 발생한 사건을 거부했다. 또한 전자적 반일치 방식의 원통형 CsI 차폐는 중앙 검출기를 측면에서 감쌌고, 조악한 콜리메이션을 제공하여 측면 또는 시야(FOV)의 대부분에서 감마선과 대전 입자를 제거했다. 외부 CsI 원통 내부의 텅스텐 슬랫 콜리메이터 그리드는 더욱 정밀한 각도 콜리메이션을 제공하여 3.8° x 11.4° FWHM 직사각형 FOV로 응답을 콜리메이션했다. 각 모듈 전면의 플라스틱 신틸레이터는 전면에서 들어오는 대전 입자를 거부했다. 네 개의 검출기는 일반적으로 두 개씩 쌍으로 작동했다. 감마선원 관측 중, 한 검출기는 감마선원을 관측하고, 다른 검출기는 감마선원에서 약간 벗어나 배경 수준을 측정했다. 두 검출기는 정기적으로 역할을 바꿔 감마선원과 배경을 보다 정확하게 측정할 수 있었다. 이 장비는 초당 약 2도의 속도로 슬류할 수 있었다.2. 3. COMPTEL (Imaging Compton Telescope)
막스 플랑크 외계 물리학 연구소, 뉴햄프셔 대학교, 네덜란드 우주 연구소 및 ESA 천체물리학 부서가 개발한 영상 콤프턴 망원경(COMPTEL)은 0.75~30 MeV 에너지 범위에 맞춰져 있으며, 광자의 도착각을 1도 이내, 고에너지에서는 5% 이내의 에너지 오차로 결정했다. 이 기기는 1 스테라디안의 시야를 가지고 있다. 우주 감마선 사건의 경우, 이 실험은 전면 및 후면 신틸레이터 세트에서 거의 동시에 두 번의 상호 작용을 필요로 했다. 감마선은 전방 검출기 모듈에서 콤프턴 산란되며, 반동 전자에 주어진 상호 작용 에너지 ''E1''이 측정되는 반면, 콤프턴 산란된 광자는 후면의 두 번째 신틸레이터 층 중 하나에서 포착되어 그 총 에너지 ''E2''가 측정된다. 이 두 에너지 ''E1''과 ''E2''로부터 콤프턴 산란 각도 θ와 입사 광자의 총 에너지 ''E1 + E2''를 결정할 수 있다. 전면 및 후면 신틸레이터 모두에서 상호 작용의 위치도 측정되었다. 두 상호 작용 지점을 연결하는 벡터 '''V'''는 하늘의 방향을 결정하며, 이 방향에 대한 각도 θ는 '''V'''에 대한 원뿔을 정의하며, 그 안에 광자의 근원이 있어야 하고, 하늘에 해당하는 "사건 원"이 나타난다. 두 상호 작용 간의 근접 일치 및 몇 나노초의 정확한 지연 요구 사항으로 인해 대부분의 배경 생성 방식이 크게 억제되었다. 많은 사건 에너지와 사건 원을 수집하여 광자 플럭스와 스펙트럼과 함께 광원의 위치 지도를 결정할 수 있다.2. 4. EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope)
'''고에너지 감마선 실험 망원경'''(EGRET, Energetic Gamma Ray Experiment Telescope)은 20 MeV에서 30 GeV 사이의 고에너지 감마선원의 위치를 십분의 일도 미만의 정확도로, 광자 에너지를 15% 이내의 정확도로 측정했다. EGRET은 NASA 고다드 우주비행센터, 막스 플랑크 외계 물리학 연구소, 스탠퍼드 대학교에서 개발했다. 이 검출기는 검출기 내에서 상호 작용하는 고에너지 광자로부터 전자-양전자 쌍생성 원리를 이용했다. 생성된 고에너지 전자와 양전자의 궤적은 검출기 부피 내에서 측정되었고, 두 입자가 나오는 ''V''자 모양의 축이 하늘로 투영되었다. 마지막으로, 이들의 총 에너지는 장비 후면에 있는 대형 칼로리미터 섬광 검출기에서 측정되었다.3. 주요 연구 결과
- EGRET 장비는 100 MeV 이상의 전천 탐사를 최초로 수행하여 4년간의 데이터로 271개의 천체를 발견했으며, 그중 170개는 미확인 천체였다.[6]
- COMPTEL 장비는 26|Al영어 (알루미늄의 방사성 동위원소)의 전천 지도를 완성했다.[6]
- OSSE 장비는 은하 중심에 대한 가장 포괄적인 탐사를 완료했으며, 중심 위에 반물질 "구름"이 있을 가능성을 발견했다.[6]
- 펄서 탐사와 초신성 잔해 탐사를 완료했다.
- 1994년 적란운에서 발생하는 지상 감마선 섬광을 발견했다.
3. 1. 감마선 폭발 (GRB)
BATSE 장비는 하루 평균 하나의 감마선 폭발 현상을 감지하여 총 약 2700건을 감지했다. 이를 통해 감마선 폭발의 대부분은 우리 은하 근처가 아닌 먼 은하에서 발생하며, 따라서 엄청난 에너지를 가지고 있어야 함을 확실히 보여주었다. 최초의 네 개의 소프트 감마선 반복체가 발견되었는데, 이러한 천체는 대부분 100 keV 미만으로 상대적으로 약했으며, 예측할 수 없는 활동 및 비활동 기간을 가졌다.GRB는 2초 미만 지속되는 짧은 지속 시간 GRB와 2초 이상 지속되는 긴 지속 시간 GRB, 두 가지 시간 프로파일로 분류되었다.
감마선 폭발 990123(1999년 1월 23일)는 당시 기록된 가장 밝은 폭발 중 하나였으며, prompt 감마선 방출(역 충격파 플래시) 동안 관측된 광학적 잔광을 가진 최초의 GRB였다. 이를 통해 천문학자들은 1.6의 적색편이와 3.2Gpc의 거리를 측정할 수 있었다. 감마선에서 측정된 폭발 에너지와 거리를 결합하여, 등방성 폭발을 가정한 총 방출 에너지를 추론할 수 있었고, 그 결과 약 두 개의 태양 질량이 에너지로 직접 변환되었음을 알 수 있었다. 이는 마침내 GRB 잔광이 고도로 컬리메이션된 폭발의 결과이며, 필요한 에너지 예산을 크게 줄였다는 사실을 학계에 확신시켰다.
3. 2. 기타 결과
- EGRET 장비는 100 MeV 이상의 전천 탐사를 최초로 수행하여 4년간의 데이터로 271개의 천체를 발견했으며, 그중 170개는 미확인 천체였다.
- COMPTEL 장비는 26|Al영어 (알루미늄의 방사성 동위원소)의 전천 지도를 완성했다.
- OSSE 장비는 은하 중심에 대한 가장 포괄적인 탐사를 완료했으며, 중심 위에 반물질 "구름"이 있을 가능성을 발견했다.
- BATSE 장비는 하루 평균 하나의 감마선 폭발 현상을 감지하여 총 약 2700건을 탐지했다. 이를 통해 감마선 폭발의 대부분은 우리 은하 근처가 아닌 먼 은하에서 발생하며, 따라서 엄청난 에너지를 가지고 있어야 함을 확실히 보여주었다.
- 최초의 네 개의 소프트 감마선 반복체를 발견했다. 이러한 천체는 대부분 100 keV 미만으로 상대적으로 약했으며, 예측할 수 없는 활동 및 비활동 기간을 가졌다.
- GRB를 2초 미만 지속되는 짧은 지속 시간 GRB와 2초 이상 지속되는 긴 지속 시간 GRB의 두 가지 시간 프로파일로 분류했다.
- 펄서(pulsar) 탐사와 초신성 잔해(supernova remnant) 탐사를 완료했다.
- 1994년 적란운(Cumulonimbus cloud)에서 발생하는 지상 감마선 섬광(Terrestrial gamma-ray flash)을 발견했다.
4. 역사
1977년에 콤프턴 감마선 천문대(CGRO)에 대한 제안 작업이 시작되었다.[7] CGRO는 궤도상에서 연료를 다시 채우고 정비할 수 있도록 설계되었다.[7]
1991년 4월 7일에 발사되었다. 발사 직후 연료관에 문제가 생겨서 궤도를 자주 올리는 것이 어려워졌다. 콤프턴 감마선 천문대는 처음 발사될 때 450km 고도에 배치되었다.[9] 시간이 지나면서 궤도가 낮아져, 원했던 것보다 일찍 대기권에 들어가는 것을 막기 위해 궤도를 다시 높여야 했다. 1993년 10월에는 340km에서 450km 고도로, 1997년 6월에는 440km에서 515km 고도로 두 번 궤도를 높여, 2007년까지 운영 기간을 늘릴 수 있었다.[9]
1992년에는 기내 데이터 기록 장치가 고장나 데이터를 내려받는 양이 줄었다. 데이터 수집 간격을 줄이기 위해 또 다른 TDRS 지상국을 건설했다.[8]
1999년 12월, 3개의 자이로스코프 중 하나가 고장나자 콤프턴 감마선 천문대는 의도적으로 궤도에서 벗어나게 되었다. 당시 천문대는 여전히 작동하고 있었지만, 자이로스코프가 하나 더 고장났다면 궤도에서 벗어나는 것이 훨씬 더 어렵고 위험했을 것이다. NASA는 약간의 논란이 있었지만, 공공의 안전을 위해 무작위로 떨어지는 것보다 통제된 상태로 바다에 추락시키는 것이 낫다고 판단했다.[10] 2000년 6월 4일 대기권에 진입했으며, 타지 않고 남은 잔해(무게 약 816.47kg짜리 알루미늄 I-빔 6개와 티타늄으로 만들어진 부품, 5,000개가 넘는 볼트 포함)는 태평양에 떨어졌다.[11]
이것은 NASA가 처음으로 의도적으로 통제하여 인공위성을 궤도에서 벗어나게 한 사례였다.[12]
참조
[1]
웹사이트
NASA – NSSDCA – Spacecraft – Details
https://nssdc.gsfc.n[...]
2018-04-30
[2]
웹사이트
NASA – NSSDCA – Spacecraft – Trajectory Details
https://nssdc.gsfc.n[...]
2018-04-30
[3]
웹사이트
Gamma-Ray Astronomy in the Compton Era: The Instruments
http://heasarc.gsfc.[...]
NASA/ GSFC
2007-12-07
[4]
웹사이트
NASA – NASA's Great Observatories
https://www.nasa.gov[...]
2020-11-02
[5]
웹사이트
BATSE GUEST INVESTIGATOR PROGRAM
https://heasarc.gsfc[...]
[6]
웹사이트
CGRO SSC >> EGRET Detection of Gamma Rays from the Moon
https://heasarc.gsfc[...]
[7]
뉴스
NASA Preparing Plans for Destructive Reentry to End Compton Gamma Ray Observatory's Mission
https://spaceref.com[...]
2000-01-14
[8]
웹사이트
March 1994 – Gamma Ray Observatory Remote Terminal System (GRTS) Declared Operational
https://www.nasa.gov[...]
NASA
1994-03-01
[9]
웹사이트
CGRO SSC >> Successful Reboost of Compton Gamma Ray Observatory
https://heasarc.gsfc[...]
NASA
2005-08-01
[10]
웹사이트
Spaceflight Now | CGRO Deorbit | NASA space telescope heads for fiery crash into Pacific
https://spaceflightn[...]
[11]
뉴스
Satellite Marked for Extinction Plunges Into the Sea, on Target (Published 2000)
https://www.nytimes.[...]
2000-06-05
[12]
논문
Entry Debris Field estimation methods and application to Compton Gamma Ray Observatory
https://ntrs.nasa.go[...]
Mission Operations Directorate Nasa Johnson Space Center
2001-06-01
[13]
웹인용
Gamma-Ray Astronomy in the Compton Era: The Instruments
http://heasarc.gsfc.[...]
NASA/ GSFC
2007-12-07
[14]
웹사이트
NASA space telescope heads for fiery crash into Pacific
http://spaceflightno[...]
[15]
웹인용
NASA's Great Observatories
http://www.nasa.gov/[...]
2016-07-10
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