성층권 적외선 천문학 관측소
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1. 개요
성층권 적외선 천문학 관측소(SOFIA)는 보잉 747SP를 개조하여 제작된 항공기로, 기체에 장착된 2.5m 반사 망원경을 통해 성층권에서 적외선 천문학 관측을 수행했다. SOFIA는 12km 상공에서 운행하며, 지구 대기 중 수증기의 영향을 최소화하여 적외선 파장을 관측할 수 있도록 설계되었다. 1977년에 첫 비행을 시작하여 2022년 9월 30일에 프로젝트가 종료되었으며, 현재는 애리조나주 피마 항공우주 박물관에 전시되어 있다. SOFIA는 행성 대기, 혜성, 성간 물질, 별의 형성을 연구하는 데 사용되었으며, 교육 프로그램인 항공 천문학 홍보대사 프로그램(AAA)도 운영했다.
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성층권 적외선 천문학 관측소 | |
---|---|
개요 | |
이름 | 성층권 적외선 천문대 (SOFIA) |
원래 이름 | Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy |
다른 이름 (독일어) | Deutsches SOFIA Institut (DSI) |
종류 | 적외선 천문대 |
위치 | 지상: 팜데일 공항 (대부분의 기간) 공중: 크라이스트처치 국제공항 (6월/7월경 약 2개월) |
고도 | 지상: 공중: 13.7 km (45,000 ft) |
운영 기관 | NASA DLR USRA DSI |
웹사이트 | SOFIA 과학 센터 NASA SOFIA DLR SOFIA DSI |
망원경 | |
이름 | SOFIA |
종류 | 벤 카세그레인 (Chopping secondary mirror 및 flat folding tertiary, Nasmyth focus) |
연혁 | |
설립 | 2010년 |
폐쇄 | 2022년 9월 29일 |
항공기 정보 | |
용도 | 적외선 천문학 관측을 위한 성층권 비행 천문대 |
초도 비행 | 2007년 4월 26일 |
운용 시작 | 2010년 |
퇴역 | 2022년 9월 29일 |
이미지 | |
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2. 시설
성층권 적외선 천문학 관측소(SOFIA)는 보잉 747SP 항공기를 개조하여 만든 이동식 천문대이다. 이 항공기는 광동체 항공기인 보잉 747의 동체를 단축한 버전으로, 비행 중에도 열 수 있는 큰 문을 기체 후방 동체에 설치하여 2.5m 직경의 반사 망원경이 하늘을 관측할 수 있도록 설계되었다.[2]
SOFIA는 약 12km (약 12496.80m) 고도의 성층권에서 비행하며 적외선 천문학 관측을 수행했다. 이 고도에서는 지구 대기 중 수증기의 영향을 거의 받지 않아, 지상에서는 관측하기 어려운 적외선 파장을 포착할 수 있었다. 항공기는 지구 표면의 거의 모든 지점 상공을 비행할 수 있어 북반구와 남반구 양쪽에서 관측이 가능했다.
관측 비행은 주로 야간에 이루어졌으며, 일주일에 3~4회 실시되었다. SOFIA 관측소의 운영 기지는 캘리포니아주 팜데일 지역 공항에 위치한 NASA 암스트롱 비행 연구 센터였으며, 과학 연구 및 데이터 분석을 담당하는 SOFIA 과학 센터는 캘리포니아주 마운틴뷰의 에임스 연구 센터에 위치했다.
2. 1. 망원경

SOFIA는 2.5m 반사 망원경을 사용하며, 주경의 직경은 2.7m이다. 이는 대부분의 대형 적외선 망원경에서 흔히 볼 수 있는 크기이다.[3] 광학 시스템은 카세그레인 반사 망원경 설계를 따르며, 포물면 주경과 원격 조정이 가능한 쌍곡면 부경으로 구성된다. 망원경을 항공기 동체에 맞추기 위해 주경의 f-수는 1.3으로 제작되었고, 전체 광학계의 f-수는 19.7이다. 평평한 삼차 이색 거울은 관측된 빛의 적외선 부분을 나스미스 초점으로 보내 분석할 수 있도록 한다. 삼차 거울 뒤에는 카메라 유도 시스템에 사용되는 광학 거울이 위치한다.[4]
망원경은 항공기 꼬리 근처 동체 측면에 설치된 큰 문을 통해 외부를 관측한다. 초기에는 9개의 관측 기기를 탑재하여 1–655 마이크로미터(μm) 파장의 적외선 천문학 연구와 0.3~1.1 μm 파장의 고속 광학 천문학 연구를 수행했다. 주요 기기는 다음과 같다.[5]
- FLITECAM: 근적외선 카메라 (1–5 μm)
- FORCAST: 중적외선 카메라 (5–40 μm)
- HAWC: 원적외선 카메라 (42–210 μm)
이 외에도 다양한 스펙트럼 범위를 다루는 광학 광도계와 적외선 분광기가 포함되었다.[5] SOFIA의 망원경은 운용 기간 동안 항공기에 탑재된 망원경 중 가장 컸다. 각 비행 임무마다 하나의 과학 기기를 망원경에 부착하여 사용했으며, 두 그룹의 범용 기기가 제공되었다. 또한, 연구자들이 특정 목적에 맞게 직접 설계하고 제작한 기기를 사용할 수도 있었다. 2012년 4월 17일, NASA는 HAWC 기기의 성능 향상을 위한 두 가지 업그레이드를 승인했다. 이를 통해 새로운 전이 에지 센서 볼로미터 검출기 어레이를 사용하여 관측 시야를 넓히고, 천체에서 방출되는 먼지의 편광을 측정하는 기능이 추가되었다.[6]
망원경이 설치된 개방된 공간은 비행 중 고속 난기류에 노출되며, 항공기 자체의 진동과 움직임도 정밀한 관측을 어렵게 만드는 요인이었다. 이를 극복하기 위해 망원경은 매우 가볍게 설계되었다. 주경 뒷면은 벌집 구조로 가공되었고, 망원경 조립에는 폴리머 복합 재료가 사용되었다. 마운트에는 가압된 오일 베어링 시스템을 적용하여 진동으로부터 기기를 보호했다. 목표 천체를 정확히 추적하기 위해 자이로스코프, 고속 카메라, 자기 토크 모터 시스템이 사용되어 기압 변화나 항공기 엔진 진동 등으로 인한 움직임을 보정했다.[30] 망원경실은 항공기가 이륙하기 전에 미리 냉각시켜 고고도에서의 외부 온도와 맞춤으로써 열로 인한 망원경 형태 변화를 방지했다. 착륙 전에는 망원경실 내부에 질소 가스를 채워 차가워진 광학 장치와 기기에 습기가 응결되는 것을 막았다.[4]
망원경의 전체 조립 및 설계, 그리고 9개의 과학 기기 중 2개는 DLR이 담당했으며, NASA는 항공기 부분을 책임졌다. 망원경 제작은 유럽의 여러 기업이 맡았다. 망원경 본체는 독일에서 제작되었고, 주경은 독일 마인츠의 Schott AG에서 경량화 과정을 거쳐 주조된 후 프랑스 회사 SAGEM-REOSC에서 연마 및 광택 작업이 이루어졌다. 탄화 규소 기반의 부경 메커니즘은 스위스 전자 및 마이크로기술 센터(CSEM)에서 제조되었다. 주경의 반사 표면 코팅은 연간 1~2회 재도포되었는데, 초기에는 루이지애나의 계약 시설에서 진행되었으나 이후 모펫 연방 비행장에 자체 코팅 시설을 마련하여 운영했다.[7]
2. 2. 항공기

SOFIA 프로젝트에 사용된 항공기는 개조된 보잉 747SP 기종이었다.[10] 보잉은 장거리 비행 성능을 강화하기 위해 747SP("Special Performance") 버전을 개발했다. 이는 기존 747-100 모델의 동체 일부를 제거하고 다른 부분을 수정하여 무게를 줄임으로써, 당시 다른 어떤 747 모델보다 더 높이, 더 빠르게, 그리고 더 멀리 논스톱으로 비행할 수 있도록 설계된 기종이다.[11]
SOFIA로 개조된 항공기는 보잉에서 일련번호 21441번(306번째 제작된 747)을 부여받았다. 1977년 4월 25일 첫 비행을 마쳤고, 같은 해 5월 6일 팬 아메리칸 월드 항공(팬암)에 인도되었다. 항공기 등록 번호 N536PA를 받았으며, 팬암은 이 항공기를 상업 여객 운송에 투입했다.[12] 팬암은 유명 비행사 찰스 린드버그를 기리기 위해 항공기 이름을 "클리퍼 린드버그"(''Clipper Lindbergh'')로 명명했다. 린드버그의 미망인인 앤 모로 린드버그는 남편의 역사적인 뉴욕-파리 대서양 횡단 비행 50주년이 되는 1977년 5월 20일, 직접 이 항공기의 세례식에 참여했다.[12]
1986년 2월 13일, 유나이티드 항공이 팬암으로부터 이 항공기를 인수하면서 등록 번호는 N145UA로 변경되었고, 린드버그 이름이 없는 새로운 도색을 적용받았다. 유나이티드 항공 소속으로 1995년 12월까지 운항되다가 퇴역 후 라스베이거스 인근에 보관되었다.[13]
1997년 4월 30일, 대학교 우주 연구 협회(USRA)가 항공 천문대로 활용하기 위해 유나이티드 항공으로부터 이 기체를 구입했다. 같은 해 10월 27일, NASA가 USRA로부터 항공기를 최종 인수했다.[13] NASA는 항공기 개조에 앞서 기준 성능을 확인하기 위한 시험 비행을 실시했다. 이후 항공기는 텍사스주 웨이코에 위치한 E-Systems(이후 레이시온 인텔리전스 앤 인포메이션 시스템, L-3 커뮤니케이션스 통합 시스템으로 변경)에서 대대적인 개조 작업에 들어갔다. 개조의 성공을 위해 레이시온은 1998년 초 폐기 예정이던 다른 747SP(등록 번호 N141UA)의 부품을 구입하여 실물 크기 모형(mock-up)으로 활용하기도 했다.[14]
1998년부터 시작된 개조 작업에서 레이시온은 항공기 동체 왼쪽 후방에 높이 약 5.49m (원호 길이 기준), 폭 약 4.11m 크기의 대형 문을 설계 및 설치했다. 이 문은 비행 중에 열려 망원경이 하늘을 관측할 수 있게 한다. 망원경은 가압 격벽 뒤 동체 후방에 장착되었으며, 망원경의 초점은 동체 중앙부의 가압된 구역에 위치한 과학 장비실로 연결된다. 항공기 중앙에는 임무 통제 및 과학 운용 구역이, 전방에는 교육 및 홍보 구역이 마련되었다. 동체에 문을 설치했음에도 불구하고 항공기의 공기역학적 특성이나 비행 성능에는 큰 영향을 미치지 않았다.[15]
SOFIA의 첫 시험 비행은 2007년 4월 26일에 실시되었다.[12] NASA의 초청으로 찰스 린드버그의 손자인 에릭 린드버그는 할아버지의 대서양 횡단 비행 80주년인 2007년 5월 21일, 이 항공기에 다시 "클리퍼 린드버그"라는 이름을 붙였다.[16]
2010년부터 정식 운용에 들어갔으며,[9] 2012년 12월에는 글래스 콕핏 비행 갑판 업그레이드와 함께 새로운 항공 전자 시스템 및 소프트웨어 업데이트를 받았다.[17]
2022년 4월 28일, NASA와 DLR은 예산 문제 등으로 인해 SOFIA 프로젝트를 2022년 9월 30일부로 종료하고 항공기를 퇴역시키기로 결정했다고 발표했다. 921번째이자 마지막 과학 임무 비행은 2022년 9월 29일 밤(현지 시간) 캘리포니아 팜데일을 이륙하여 캘리포니아 해안 북쪽 태평양 상공에서 수행되었으며, 7시간 57분의 비행 후 9월 30일 새벽 4시 41분(PDT, 11:41 UTC)에 착륙하며 공식적인 운용을 마쳤다.[18][19][20][37]
항공기의 마지막 비행은 2022년 12월 13일에 이루어졌다. 팜데일을 출발하여 애리조나주 투손 인근의 데이비스-몬탄 공군 기지에 착륙했으며, 이후 피마 항공우주 박물관에 기증되어 현재 일반에 전시되고 있다.[21][22][23]
3. 프로젝트 개발
적외선 관측을 위해 항공기를 이용하는 방식은 1965년 제라드 카이퍼가 NASA의 갈릴레오 항공 관측소를 이용해 금성을 연구하면서 시작되었다. 3년 뒤 프랭크 J. 로우는 에임스의 리젯 관측소를 사용하여 목성과 성운을 관측했다.[24] 1969년에는 약 91.44cm 크기의 망원경을 항공기에 탑재하려는 계획이 세워졌다. 이 계획의 목표는 대기 중 수증기에 의해 적외선 복사가 흡수되는 영향이 적은 성층권에서 천문 관측을 수행하는 것이었다. 이 프로젝트는 카이퍼 항공 관측소(KAO)로 명명되었고, 1975년 5월 21일에 시작되어 천왕성 고리 발견 등 여러 과학적 성과에 기여했다.[25]
더 큰 망원경을 항공기에 탑재하자는 제안은 1984년에 공식적으로 나왔으며, 보잉 747 항공기에 3미터급 망원경을 싣는 내용이었다. 예비 시스템 개념은 1987년 '레드 북'(Red Book)에 발표되었다. 독일은 총 비용의 20%를 부담하고 망원경 제작을 맡기로 합의했다. 그러나 독일 통일과 NASA의 예산 삭감 문제로 프로젝트는 5년 지연되었다. 이후 NASA는 대학 우주 연구 협회(USRA)에 사업을 위탁했고, 1996년 NASA와 독일 항공우주 센터(DLR)는 SOFIA 건설 및 운영에 관한 양해 각서를 체결했다.[26]
SOFIA 망원경의 주 거울은 직경 2.5m 크기로, 열팽창 계수가 거의 0에 가까운 유리-세라믹 복합 재료인 제로듀어를 사용하여 독일의 쇼트 AG에서 제작했다. 프랑스 SAGEM 그룹의 광학 부문인 REOSC는 거울 뒷면에 벌집 모양 구멍을 내어 무게를 줄였고, 1999년 12월 14일 거울 연마를 완료하여 표면 정밀도를 8.5 나노미터 수준으로 만들었다.[27] 쌍곡선 형태의 부 거울은 탄화 규소로 제작되었으며, 연마는 2000년 5월에 완료되었다.[4]
2002년에는 망원경의 주요 부품들이 독일 아우크스부르크에서 조립되었다. 여기에는 주 거울 조립체, 주 광학 지지대, 서스펜션 조립체 등이 포함되었다. 성공적인 통합 및 시스템 점검 테스트 후, 이 부품들은 에어버스 벨루가 수송기를 통해 미국 텍사스주 와코로 운송되어 2002년 9월 4일에 도착했다.[28] SOFIA는 2004년 8월 18일과 19일, 항성 폴라리스의 이미지를 촬영하며 첫 지상 기반 '온 스카이'(on-sky) 테스트를 완료했다.[29]
2001년에는 망원경 문 개발을 맡았던 하청업체 세 곳이 연이어 사업을 중단하면서 프로젝트가 추가로 지연되었다. 또한 유나이티드 항공이 파산 보호를 신청하며 항공기 운영사로서 프로젝트에서 철수했다. 망원경은 독일에서 미국으로 운송되어 2004년에 항공기에 설치되었고, 초기 관측은 지상에서 이루어졌다.[30]
2006년 2월, 프로젝트 비용이 초기 1.85억달러에서 3.3억달러으로 증가하자[31] NASA는 프로젝트를 재검토 상태에 두고 예산 지원을 중단했다. 그러나 2006년 6월 15일, NASA는 SOFIA 개발을 지속하는 데 있어 극복 불가능한 기술적 또는 계획상의 문제는 없다고 결론 내렸고, 프로젝트는 재검토 상태에서 벗어났다.[32][33]
SOFIA의 첫 비행은 2007년 4월 26일 텍사스주 와코에 있는 L-3 통합 시스템(L-3 IS) 시설에서 이루어졌다.[34] 와코에서 간단한 테스트 프로그램을 거친 후, 항공기는 2007년 5월 31일 캘리포니아주 에드워드 공군 기지에 있는 NASA의 암스트롱 비행 연구 센터로 이동했다. 외부 망원경 격납실 문을 닫은 상태에서 항공기 특성을 확인하는 첫 단계 하중 및 비행 테스트는 2008년 1월까지 성공적으로 완료되었다.[35]
2009년 12월 18일, SOFIA 항공기는 망원경 문을 완전히 연 상태에서 첫 번째 시험 비행을 수행했다. 이 단계는 총 79분의 비행 중 2분 동안 진행되었다. SOFIA 망원경은 2010년 5월 26일 초시 관측에 성공하여, M82 은하 중심부와 목성의 구름층을 뚫고 나오는 열 방출 이미지를 포착했다.[36] 초기 일상 과학 관측 비행은 2010년 12월에 시작되었으며,[37] 관측소는 연간 약 100회 비행을 목표로 2014년까지 완전한 운영 능력을 갖출 예정이었다.[30][35]
2011년부터 SOFIA 임무는 여러 제안서 중에서 선정되었으며, 성공적인 제안들은 연간 주기에 따라 계획되었다. 첫 번째 주기(Cycle 1)는 2013년에 해당했다. 각 주기 동안 항공기와 장비는 여러 다른 임무들 간에 공유되었다.[38]
2020년대 천체물리학 10개년 조사(Decadal Survey)에서는 NASA가 2023년까지 SOFIA 운영을 종료할 것을 권고했다. 보고서는 "조사 위원회는 SOFIA의 높은 운영 비용과 상대적으로 낮은 과학적 생산성을 고려할 때 심각한 우려를 가지고 있다"고 밝혔다.[39]
4. 과학 연구 및 관측
SOFIA의 주요 과학적 목표는 행성의 대기와 표면의 조성을 연구하고, 혜성의 구조, 진화 및 조성을 조사하며, 성간 물질의 물리학과 화학을 규명하고, 별과 다른 항성체의 형성을 탐구하는 것이었다. 프로그램의 임무 계획을 관리하는 SOFIA 과학 센터는 캘리포니아주 마운틴뷰에 있는 NASA 에임스 연구 센터에 위치했다.[30]
2015년 6월 29일, 왜행성 명왕성이 지구에서 볼 때 먼 별 앞을 지나가면서 뉴질랜드 근처에 그림자를 드리웠을 때, SOFIA는 이를 관측하여 명왕성의 대기를 연구할 수 있었다.[40] 2016년 초에는 화성의 대기에서 40년 만에 처음으로 원자 산소를 감지했다.[41] 2017년 초에는 중적외선으로 1 세레스를 관측하여, 이 왜행성이 다른 천체에서 온 소행성 먼지로 덮여 있음을 확인했다.[42] 같은 해 7월, 뉴 호라이즌스 탐사선의 486958 아로코스 탐사를 준비하는 과정에서, 지상 관측소들이 실패했던 아로코스의 별 엄폐 현상을 관측하는 데 성공했다.
SOFIA는 또한 새로운 행성계 관찰과 복잡한 분자 감지에 초점을 맞춘 우주 생물학 임무에도 활용되었다.[43] 2020년 10월에는 SOFIA를 포함한 여러 관측 장비를 통해 달의 햇빛이 비치는 표면에서 물 분자가 감지되었다고 보고되었다.[44][45][46][47] 더 나아가 2022년 1월과 5월 사이, SOFIA의 FORCAST 장비를 이용해 소행성에서 물이 처음으로 감지되었으며, 이 결과는 2024년 2월에 발표되었다.[48]
5. 항공 천문학 홍보대사 프로그램 (AAA)
SOFIA는 계획된 20년의 임무 기간 동안 교육 및 홍보 활동의 일환으로 항공 천문학 홍보대사 프로그램(Airborne Astronomy Ambassadors Program, AAA)을 운영했다. 이 프로그램은 K-12 교사, 과학 박물관 및 천문관 교육자, 대중 홍보 전문가 등 다양한 유형의 교육자 1,000명 이상을 과학자들과 직접 연결하여 파트너십을 맺도록 설계되었다. 이를 통해 전국 수십만 명의 사람들에게 과학 교육의 기회를 넓히고자 했다.[49]
미국에서 AAA "파일럿" 프로그램에 참여하기 위해 처음으로 선정된 교육자 그룹은 "SOFIA 식스"로 불렸으며, 이들은 2011년 여름에 비행했다. 독일에서도 별도의 신청 절차를 통해 같은 해 여름 두 명의 교사가 비행에 참여했다.[50] AAA 프로그램 참가 교육자는 경쟁이 치열한 신청 과정을 통해 선발되었다. NASA와 DLR(독일 우주국)은 다양한 배경을 가진 교육자들을 선정하는 데 중점을 두었으며, 여기에는 청각 장애인 학교, 대안 교육 기관(발달 장애 학생 대상), 소외 계층 학생 집단, 농촌 학교, 아메리카 원주민 학교 소속 교육자들이 포함되었다. "파일럿" 프로그램 이후 AAA 프로그램은 20개 이상의 교육자 팀을 비행시켰으며, 여러 사이클에 걸쳐 운영되었다.[49][51]
한편, 유명 SF 드라마 ''스타 트렉''에 출연했던 배우 니셸 니콜스가 2015년 9월 17일 SOFIA에 탑승하기도 했다.[52]
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