허셜 우주망원경
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1. 개요
허셜 우주망원경은 유럽 우주국(ESA)이 개발한 원적외선 및 서브밀리미터 우주 망원경으로, 2009년에 발사되어 2013년까지 운용되었다. 초기 우주의 은하 형성, 별 형성, 태양계 천체의 화학적 조성, 우주 전반의 분자 화학 등을 연구했다. 3.5미터의 반사경과 PACS, SPIRE, HIFI 등 세 개의 검출기를 탑재했으며, 액체 헬륨 냉각 시스템을 통해 작동했다. 2013년 4월 액체 헬륨 고갈로 임무가 종료되었으며, 이후 태양 중심 궤도로 이동했다.
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| 허셜 우주망원경 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 임무 유형 | 우주 망원경 |
| 운영 기관 | ESA/NASA |
| COSPAR ID | 2009-026K |
| SATCAT | 34937 |
| 웹사이트 | 허셜 우주 망원경 공식 웹사이트 |
| 임무 기간 | 계획: 3년, 최종: 2009년 5월 14일 13:12:02 - 2013년 6월 17일 12:25 (4년 1개월 3일) |
| 제작사 | 탈레스 알레니아 스페이스 |
| 탑재 질량 | 망원경: |
| 전력 | 1 kW |
| 발사일 | 2009년 5월 14일 13:12:02 UTC |
| 발사 로켓 | 아리안 5 ECA |
| 발사 장소 | 기아나 우주 센터, 프랑스령 기아나 |
| 발사 계약자 | 아리안스페이스 |
| 폐기 유형 | 퇴역 |
| 비활성화 | 2013년 6월 17일 12:25 UTC |
| 궤도 기준점 | L2 () |
| 궤도 종류 | 리사주 궤도 |
| 원지점 | 태양 |
| 망원경 종류 | 리치-크레티앙 망원경 |
| 주경 직경 | , |
| 초점 거리 | , |
| 파장 범위 | 55 ~ 672 μm (원적외선) |
| 이전 임무 | 로제타 |
| 다음 임무 | 플랑크 |
| |
| 장비 목록 | |
| HIFI | 원적외선 헤테로다인 기기 |
| PACS | 광전도체 배열 카메라 및 분광계 |
| SPIRE | 스펙트럼 및 광도 이미징 수신기 |
| 명칭 | |
| 다른 이름 | Far Infrared and Submillimetre Telescope (FIRST, 원적외선 및 준밀리미터파 망원경) |
2. 개발
1982년 유럽 우주국(ESA)에 '''원적외선 및 서브밀리미터 망원경'''('''FIRST''')이 제안되었다. 1984년 ESA의 장기 정책 계획 "호라이즌 2000"은 핵심 임무 중 하나로 ''고 처리량 이종 분광법'' 임무를 요구했고, 1986년 FIRST가 이 핵심 임무로 채택되었다.[14] 1992년~1993년 산업 연구를 거쳐 1993년에 구현이 선정되었다. 1995년~1998년 적외선 우주 관측소([2.5–240 μm])의 경험을 바탕으로 임무 개념을 지구 궤도에서 라그랑주 점 L2로 재설계했다. 2000년 FIRST는 허셜로 이름이 변경되었고, 같은 해 입찰 공고 후 2001년 산업 활동이 시작되었다.[15] 허셜은 2009년에 발사되었다.
허셜 우주망원경은 태양계 내외 천체로부터의 빛을 수집하는 데 특화되었으며, 다음의 네 가지 주요 연구 분야를 담당했다:[19]
허셜 임무 비용은 11억유로였다.[16] 이 수치에는 우주선 및 탑재체, 발사 및 임무 비용, 과학 운영 비용이 포함된다.[17]
1982년 타이스 더 그라프(네덜란드 우주 연구소), 기스베르트 빈네비스(쾰른 대학교), 마이클 로완-로빈슨(임페리얼 칼리지 런던), 글렌 화이트(Open University, 래더퍼드 애플턴 연구소), 맬컴 롱에어(케임브리지 대학교) 등이 원안을 수립했다. 계획 실현까지 26년이 걸렸다.
우주 망원경은 칸느 망드리에 우주 센터에서 제작되어 아리안 5 로켓으로 플랑크 위성과 함께 발사되었고, 지구-태양의 제2 라그랑주 점을 중심으로 지름 700000km의 리사주 궤도를 선회한다. 발사 비용은 11억유로이다.
3. 과학적 목표 및 성과
임무 수행 동안 허셜 우주망원경은 "35,000건이 넘는 과학 관측"을 수행했으며 "약 600개의 서로 다른 관측 프로그램에서 25,000시간이 넘는 과학 데이터를 수집"했다.[18]
허셜은 별 형성 과정에서 알려지지 않았고 예상치 못한 단계를 발견하는 데 중요한 역할을 했다. NGC 1999 영역에서 이전에는 암흑 성운으로 여겨졌던 광대한 빈 공간의 존재를 최초로 확인하고, 지상 망원경의 도움을 받아 이를 검증함으로써, 새롭게 형성되는 별들이 주변 물질을 어떻게 제거하는지에 대한 새로운 시각을 제시했다.[40]
2011년 8월 1일, 허셜 우주 망원경을 통해 우주에서 분자 산소가 결정적으로 확인되었으며, 이는 과학자들이 우주에서 이 분자를 발견한 두 번째 사례이다. 이전에는 오딘 팀에 의해 보고된 바 있다.[43][44]
2011년 10월 ''네이처''에 발표된 보고서에 따르면, 허셜이 하틀리 2 혜성의 중수소 농도를 측정한 결과, 지구의 물의 상당 부분이 혜성의 충돌로부터 기원했을 수 있다는 것을 시사한다.[45] 2011년 10월 20일, 젊은 별의 강착 원반에서 바닷물에 해당하는 양의 차가운 수증기가 발견되었다고 보고되었다. 이전에 별 형성 지역 근처에서 감지되었던 따뜻한 수증기와 달리, 차가운 수증기는 혜성을 형성할 수 있으며, 이 혜성은 물을 내부 행성으로 가져올 수 있으며, 이는 지구의 물의 기원에 대한 이론과 일치한다.[46]
2013년 4월 18일, 허셜 팀은 또 다른 ''네이처'' 논문을 통해 연간 2,000 태양 질량 이상의 별을 생성하는 탁월한 별 형성 은하를 발견했다고 발표했다. HFLS3라고 명명된 이 은하는 ''z ='' 6.34에 위치하며, 빅뱅 이후 단 8억 8천만 년 만에 형성되었다.[47]
미션 종료 며칠 전, ESA는 허셜의 관측을 통해 목성의 물이 1994년 슈메이커-레비 9 혜성의 충돌로 인해 전달되었다는 결론을 내렸다고 발표했다.[48]
2014년 1월 22일, ESA 과학자들은 허셜 데이터를 사용하여 왜행성 세레스에서 처음으로 결정적으로 수증기를 감지했다고 보고했다. 세레스는 소행성대에서 가장 큰 천체이다.[49][50] 이 발견은 혜성이 아닌 소행성이 일반적으로 "분출구와 기둥"을 생성하는 것으로 간주되기 때문에 예상 밖의 결과이다. 한 과학자에 따르면 "혜성과 소행성 사이의 경계가 점점 더 흐려지고 있다."라고 언급했다.[50]
허셜 우주망원경의 주요 관측 성과는 다음과 같다:[65]
4. 장비
허셜 우주 망원경은 전체 적외선 및 서브밀리미터 파장대를 커버하는 최초의 우주 관측소였다.[19] 3.5m 망원경은 우주에 배치된 역대 최대의 광학 망원경이었다.[20] 망원경은 유리가 아닌 소결된 탄화 규소로 만들어졌다. 거울의 블랭크는 프랑스 타르브의 Boostec에서 제조되었고, 핀란드 투올라 천문대의 Opteon Ltd.에서 연삭 및 연마되었으며, 스페인 칼라알토 천문대에서 진공 증착으로 코팅되었다.[21]
거울에 반사된 빛은 세 개의 기기에 집중되었고, 이 기기의 검출기는 2,000 이하의 온도로 유지되었다.[22] 이 기기들은 2300L 이상의 액체 헬륨으로 냉각되었으며, 약 1,400의 온도에서 거의 진공 상태로 증발되었다. 우주 관측소의 작동 수명은 우주선에 탑재된 헬륨 공급량에 의해 근본적으로 제한되었으며,[8] 원래는 최소 3년 동안 작동할 것으로 예상되었다.[23]
4. 1. 주요 관측 장비
허셜 우주망원경은 세 개의 관측 장비를 탑재했다.[24]; PACS (광 검출 배열 카메라 및 분광기)
55~210 마이크로미터 파장을 관측하는 이미징 카메라 및 저분해능 분광기이다. 막스 플랑크 외계 물리학 연구소에서 설계 및 제작했다. 분광기는 R=1000에서 R=5000 사이의 분광 분해능을 가졌으며, −63 dB만큼 약한 신호도 감지할 수 있었다. 공간 분해능과 분광 분해능을 결합한 적분장 분광기로 작동했다. 이미징 카메라는 두 개의 밴드(60–85/85–130 마이크로미터 또는 130–210 마이크로미터)에서 동시에 촬영할 수 있었으며, 수 밀리잔스키(millijanskys)의 검출 한계를 가졌다.[25][26]
; SPIRE (분광 및 측광 이미징 수신기)
194~672 마이크로미터 파장을 관측하는 이미징 카메라 및 저분해능 분광기이다. 분광기는 250 마이크로미터 파장에서 R=40에서 R=1000 사이의 분해능을 가졌으며, 약 100 밀리잔스키(mJy)의 밝기를 가진 점 광원과 약 500 mJy의 밝기를 가진 확장된 광원을 촬영할 수 있었다.[27] 이미징 카메라는 250, 350, 500 마이크로미터에 중심을 둔 세 개의 분광 밴드를 가졌으며, 각각 139, 88, 43개의 픽셀을 가지고 있다. 2 mJy 이상의 밝기를 가진 점 광원과 확장된 광원의 경우 4~9 mJy 사이의 밝기를 감지할 수 있었다. NASA의 제트 추진 연구소는 이전 버전보다 40배 더 민감한 "거미줄" 볼로미터를 개발하고 제작했다. ''허셜-SPIRE'' 기기는 카디프 대학교가 주도 기관을 맡아 8개국 18개 이상의 연구소로 구성된 국제 컨소시엄에서 제작했다.[28]
; HIFI (원적외선용 헤테로다인 기기)
R=107만큼 높은 분광 분해능을 제공하는 헤테로다인 검출기이다.[29] 서로 다른 파장의 방사선을 전자적으로 분리할 수 있다. 분광기는 157~212 마이크로미터 및 240~625 마이크로미터의 두 파장 대역에서 작동했다. SRON 네덜란드 우주 연구소는 HIFI의 설계, 제작 및 테스트의 전체 과정을 주도했다. SRON의 지휘하에 있는 HIFI 기기 제어 센터는 데이터 획득 및 분석을 담당했다. NASA는 이 기기를 위한 믹서, 국부 발진기 체인 및 전력 증폭기를 개발하고 제작했다.[30] NASA ''허셜 과학 센터''는 캘리포니아 공과대학교의 적외선 처리 및 분석 센터의 일부로, 과학 계획 및 데이터 분석 소프트웨어를 제공했다.[31]
각 장비의 특징을 요약하면 다음과 같다.
| 장비명 | 파장 대역 (μm) | 주요 기능 | 분광 분해능 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| PACS | 55-210 | 이미징 카메라, 저분해능 분광기 | R=1000 ~ 5000 | 막스 플랑크 외계 물리학 연구소 제작 |
| SPIRE | 194-672 | 이미징 카메라, 저분해능 분광기 | R=40 ~ 1000 (250 μm 기준) | 국제 컨소시엄 제작 (카디프 대학교 주도) |
| HIFI | 157-212, 240-625 | 고분해능 분광기 | R=107 | SRON 주도 |
5. 서비스 모듈
탈레스 알레니아 스페이스가 토리노 공장에서 허셜 우주망원경과 플랑크 미션을 위해 설계하고 제작한 공통 서비스 모듈(SVM)이다. 두 미션이 단일 프로그램으로 통합되었기 때문이다.[32]
구조적으로 허셜과 ''플랑크'' SVM은 매우 유사하다. 두 SVM 모두 팔각형이며 각 패널은 지정된 온열 장치를 수용하도록 설계되었으며, 기기, 우주선의 다양한 온열 장치의 열 발산 요구 사항을 고려했다.
또한 두 우주선 모두 항공전자 시스템, 자세 제어 및 측정 시스템(ACMS), 명령 및 데이터 관리 시스템(CDMS), 전력 서브시스템, 추적, 원격 측정 및 명령 서브시스템(TT&C)에 공통 설계를 적용했다. SVM의 모든 우주선 장치는 이중화되어 있다.
5. 1. 전력 서브시스템
각 우주선에서 전력 하위 시스템은 삼중 접합 태양 전지판, 태양 전지 및 배터리와 전력 제어 장치(PCU)로 구성된다. 각 태양 전지판의 30개 섹션과 인터페이스하고, 규제된 28V 버스를 제공하며, 보호된 출력을 통해 이 전력을 분배하고, 배터리 충전 및 방전을 처리하도록 설계되었다.허셜 우주망원경의 경우 태양 전지판은 크라이오스탯을 태양으로부터 보호하도록 설계된 배플의 하단에 고정되어 있다. 3축 자세 제어 시스템은 이 배플을 태양 방향으로 유지한다. 이 배플의 상단 부분은 태양 에너지의 98%를 반사하는 광학 태양 반사기(OSR) 거울로 덮여 있어 크라이오스탯의 가열을 방지한다.
5. 2. 자세 및 궤도 제어
이 기능은 ACMS 플랫폼의 자세 제어 컴퓨터(ACC)로 수행된다. 허셜 우주망원경과 ''플랑크'' 탑재체의 지향 및 회전 요구 사항을 충족하도록 설계되었다.허셜 우주망원경은 3축 안정화된다. 절대 지향 오차는 3.7각초 미만이어야 한다.
두 우주선의 시선 방향의 주요 센서는 별 추적기이다.
6. 발사 및 궤도
유럽 우주국(ESA)이 1982년에 제안한 '''원적외선 및 서브밀리미터 망원경''('FIRST')은 1986년에 ESA의 장기 정책 계획인 "호라이즌 2000"의 핵심 임무로 채택되었다.[14] 2000년에 허셜로 이름이 변경되었고,[15] 2009년 5월 14일 13시 12분 02초(UTC)에 아리안 5 로켓에 실려 프랑스령 기아나에 있는 기아나 우주 센터(Guiana Space Centre)에서 플랑크 우주선과 함께 성공적으로 발사되었다.[33][34][35] 발사 비용은 11억유로였다.[16]
허셜 우주망원경은 발사 후 두 번째 라그랑주 점(L2)을 향하는 매우 타원 궤도에 진입했다.[35] 궤도의 근지점은 270.0km, 원지점은 1,197,080km, 경사는 5.99°였다.[36] 2009년 7월 중순, 지구로부터 150만 킬로미터 떨어진 L2 주위의 평균 반경 800,000km의 헤일로 궤도에 진입했다.[39]
2009년 6월 14일, 유럽 우주국(ESA)은 냉각 덮개를 열어 PACS 시스템이 하늘을 볼 수 있게 하는 명령을 성공적으로 보냈다.[37] 5일 후, M51 은하군을 묘사한 첫 번째 일련의 테스트 사진이 ESA에 의해 공개되었다.[38]
2013년4월 29일, 냉각용 액체 헬륨이 소진되어 과학 관측을 모두 종료했다.[59] 관측 운용을 종료한 허셜 우주 천문대는 태양 주회 궤도로 이동한 후, 2013년 6월 17일에 마지막 명령이 전송되어 운용을 종료했다.[60]
7. 임무 종료
유럽 우주국(ESA)은 2013년 4월 29일에 허셜 우주망원경의 탑재 기기와 검출기를 냉각하는 데 사용되는 액체 헬륨이 모두 소진되어 임무가 종료되었음을 발표했다.[12] 당시 허셜은 지구로부터 약 150만 km 떨어져 있었다. 허셜의 L2 지점 궤도가 불안정했기 때문에, ESA는 우주선을 안정적인 궤도로 유도해야 했다. ESA 관리자들은 두 가지 방안을 고려했다.
- 허셜을 최소 수백 년 동안 지구와 충돌하지 않을 태양 중심 궤도에 배치한다.
- 허셜을 달 극지방의 물 탐사에 도움이 될 수 있도록 달을 향해 빠른 속도로 충돌시킨다. 이 경우 허셜은 약 100일 후 달에 도달하게 된다.[51]
관리자들은 비용이 덜 드는 첫 번째 방안을 선택했다.[52]
2013년 6월 17일, 허셜은 완전히 비활성화되었으며, 연료 탱크를 강제로 비우고 탑재 컴퓨터를 프로그래밍하여 지구와의 통신을 중단시켰다. 통신을 끊는 마지막 명령은 유럽 우주 작전 센터(ESOC)에서 12:25 UTC에 전송되었다.[3]
임무 후 운영 단계는 2017년까지 계속되었다. 이 단계에서는 데이터 품질을 향상시키기 위한 기기 보정 작업을 통합하고 개선했으며, 과학적으로 검증된 데이터 집합을 만들기 위한 데이터 처리를 진행했다.[53]
허셜 우주망원경은 1982년에 타이스 더 그라프(네덜란드 우주 연구소), 기스베르트 빈네비스(쾰른 대학교), 마이클 로완-로빈슨(임페리얼 칼리지 런던), 글렌 화이트(Open University, 래더퍼드 애플턴 연구소)와 맬컴 롱에어(케임브리지 대학교) 등에 의해 처음 제안되었다. 계획이 실제로 실행되기까지는 26년이 걸렸다.
아리안 5 로켓으로 발사된 허셜 우주망원경은 지구-태양의 제2 라그랑주 점을 중심으로 하는 지름 70만 km의 리사주 궤도를 돌았다. 발사 비용은 11억유로였다. 관측용 검출기를 냉각하기 위해 사용된 액체 헬륨(2,300리터)이 고갈되자, L2점에서의 궤도가 불안정해지는 것을 막기 위해 허셜을 태양 주회 궤도로 이동시켜 수백 년간 지구에 접근하지 않도록 조치했다. 추진제가 없는 상태에서의 질량은 2.8톤이다.[58] 2013년 4월 29일, 냉각용 액체 헬륨이 모두 소진되어 모든 과학 관측이 종료되었다.[59]
냉각용 액체 헬륨을 모두 소진하고 관측 운용을 종료한 후, 허셜 우주 천문대는 태양 주회 궤도로 이동한 뒤 궤도상에서는 일반적으로 수행하기 어려운 제어 기술을 시험하는 데 사용되었다. 2013년 6월 17일, 마지막 명령이 전송되면서 운용이 종료되었다. 5월 13일부터 14일까지 7시간 45분 동안 추력기를 분사하여 L2점에서 지구보다 바깥쪽 궤도로 이동시켰고, 6월 17일에 마지막 추력기 분사를 통해 연료를 모두 소진했다.[60]
8. 허셜 이후
허셜 우주망원경 운용 종료 이후, 일부 유럽 천문학자들은 유럽-일본 공동 SPICA 원적외선 관측소 프로젝트와 NASA의 제임스 웹 우주 망원경에 대한 ESA의 지속적인 파트너십을 추진해 왔다.[12][54] 제임스 웹은 0.6μm ~ 28.5μm의 근적외선 스펙트럼을 관측하며, SPICA는 12μm ~ 230μm의 중적외선에서 원적외선 스펙트럼 범위를 관측한다. 허셜 우주망원경은 액체 헬륨 냉각제에 의존하여 설계 수명이 약 3년으로 제한되었지만, SPICA는 기계식 Joule-Thomson 냉각기를 사용하여 더 오랫동안 극저온 온도를 유지할 예정이었다. SPICA의 감도는 허셜 우주망원경보다 100배 더 높을 것으로 예상되었다.[55]
NASA가 제안한 Origins Space Telescope (OST) 역시 원적외선 대역의 빛을 관측할 예정이다. 유럽은 OST의 5개 기기 중 하나인 HERO(Heterodyne Receiver for OST) 연구를 주도하고 있다.[56]
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