슬론 디지털 전천탐사
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1. 개요
슬론 디지털 전천탐사(SDSS)는 2000년부터 시작된 대규모 천문학 프로젝트로, 광학 망원경과 분광 장치를 사용하여 하늘의 넓은 영역을 관측하고 데이터를 수집한다. SDSS는 여러 단계로 진행되었으며, 각 단계는 우리 은하의 구조, 외계 행성 탐색, 우주의 팽창률 측정 등 다양한 과학적 목표를 가지고 있다. 수집된 데이터는 인터넷을 통해 공개되어 천문학 연구에 널리 활용되며, 우주의 거대 구조, 은하의 분포, 별의 특징 등 다양한 연구 분야에 기여하고 있다.
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슬론 디지털 전천탐사 | |
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개요 | |
![]() | |
종류 | 천문 관측 |
파장 | 가시광선 적외선 |
위치 | 애리조나주 |
운영 | |
운영 기관 | 천체물리학 연구 컨소시엄(ARC) |
천문대 | 아파치 포인트 천문대 |
연혁 | |
시작 | 2000년 |
종료 | 2020년 |
기술 사양 | |
망원경 구경 | 2.5m |
관측 대역 | 5개 |
주요 목표 | |
주요 목표 | 퀘이사 은하 항성 우주의 대규모 구조 연구 |
세부 프로젝트 | |
초기 프로젝트 | SDSS-I SDSS-II |
후속 프로젝트 | SDSS-III SDSS-IV |
데이터 릴리스 | |
데이터 릴리스 | 16차 (2020년 12월) |
관련 프로젝트 | |
관련 프로젝트 | SEGUE APOGEE MARVELS |
2. 역사
SDSS(슬론 디지털 전천탐사)는 획기적인 장비 조합, 데이터 처리 및 저장 기술을 통해 천문학 분야의 발전을 이끌었다.
SDSS 프로젝트는 다음 두 가지 핵심 장비 및 데이터 처리 파이프라인을 중심으로 진행되었다.
- 다중 필터/다중 배열 스캐닝 CCD 카메라: 고효율로 하늘을 촬영하는 장비.
- 다중 객체/다중 광섬유 분광기: 측량에서 식별된 대상의 스펙트럼을 대량으로 얻는 장비.
이러한 장비에서 생성되는 방대한 데이터를 처리하는 것은 큰 과제였다. 당시 매일 밤 수백 기가바이트의 원시 데이터는 전례 없는 수준이었으며, 이를 처리하기 위한 소프트웨어 및 저장 시스템 설계에는 하드웨어 및 엔지니어링 팀만큼 복잡한 협업 팀이 필요했다. 자동화된 파이프라인을 통해 객체 카탈로그, 축소된 이미지, 관련 파일이 생성되어 당시 가장 큰 디지털 천문 객체 카탈로그(수십억 개 객체)를 만들었다. 또한, 수천 개의 2차원 스펙트럼 이미지를 처리하여 보정된 스펙트럼(플럭스 대 파장)을 자동으로 추출했다.
SDSS는 이러한 목표를 달성하는 데 약 10년이 걸렸으며, 이 과정에서 SQL과 같은 대규모 데이터베이스 저장 및 접근 기술 발전에 기여했다. 또한, 과학계와 대중에게 측량 데이터 제품에 대한 광범위하고 인터넷으로 접근 가능한 액세스를 제공하는 모델을 제시했는데, 이는 당시 비교적 새로운 것이었다.
프로젝트 협업 모델 역시 복잡했지만, 많은 기관과 개인이 시스템에 전문 지식을 제공해야 했기 때문에 성공적이었다. 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)는 컴퓨터 처리 및 저장 기능을 제공했으며, 대학 및 재단이 관리 파트너인 ARC와 함께 참여했다.
2. 1. SDSS-I (2000-2005)
SDSS-I은 2000년부터 2005년까지 진행된 슬론 디지털 전천탐사(SDSS)의 첫 번째 단계이다. 5개의 광학 필터를 사용하여 8,000평방도 이상의 하늘을 촬영하고, 그중 5,700평방도 영역에서 은하와 퀘이사의 스펙트럼을 얻었다. 또한 남방은하허공(Southern Galactic Cap)의 300평방도 영역을 약 30회 반복 촬영하여 추가 데이터를 확보했다.[53]미국, 일본, 독일 3개국 공동 프로젝트로 시작되었으며, 1억 개 천체의 위치와 밝기를 측정하고 그중 10만 개 천체의 분광 관측을 통해 적색편이를 측정하여 거리를 결정하는 것을 목표로 했다. 이를 통해 은하 분포를 광범위하고 정밀하게 파악하여 우주의 대규모 구조를 연구할 수 있을 것으로 기대되었다.
1998년 망원경과 CCD 카메라, 1999년 분광 장치가 완성되어 관측이 시작되었으며, 약 5년간의 관측으로 2005년 전천의 25%에 대한 천체 탐사를 완료했다. 총 관측 천체 수는 약 2억 개에 달하며, 이를 바탕으로 당시 가장 상세한 우주의 3차원 지도가 제작되었다.
2. 2. SDSS-II (2005-2008)
SDSS-II는 2005년에 시작된 슬론 탐사의 새로운 단계로, 우리 은하의 구조와 항성 구조를 연구하기 위한 SEGUE(Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration)와 먼 천체의 거리를 측정하기 위한 슬론 초신성 탐사가 진행되었다.[53]슬론 유산 탐사(Sloan Legacy Survey)는 북방은하허공(Northern Galactic Cap) 내 7,500평방도 이상의 영역에서 200만 개의 천체 자료와 80만 개의 은하, 10만 개 이상의 퀘이사 스펙트럼을 획득했다.[53] 이를 통해 얻은 천체들의 위치와 거리 정보는 공극과 필라멘트로 이루어진 우주의 거대 구조를 최초로 조사하는 데 기여했다. 이 자료의 대부분은 SDSS-I에서 얻었으며, 일부만 SDSS-II에서 획득했다.[53]
SEGUE는 우리 은하의 상세한 3차원 지도를 만들기 위해 240,000개 별의 스펙트럼을 얻었다.[54] SEGUE 자료는 다양한 은하 구조 내 별들의 나이, 조성, 위상 공간 분포에 대한 근거를 제공하여 우리 은하의 구조, 생성, 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공했다. 이 탐사에서 얻은 별들의 스펙트럼, 영상 자료, 추출된 변수 목록은 SDSS 7차 자료 공개(DR7)를 통해 공개적으로 이용 가능하다.[55]
2007년 말까지 실행된 초신성 탐사(Supernova Survey)는 Ia형 초신성을 탐색했다.[56] 이 탐사는 다양한 천체와 초신성을 탐지하기 위해 300평방도 영역을 빠르게 스캔했다. 2005년에는 확실한 Ia형 초신성 130개를 탐지했으며, 2006년에는 197개를 추가로 탐지했다.[56] 2014년에는 변광성과 일시적 변광 광원 10,258개를 수록한 더 방대한 목록이 공개되었다. 이 중 4,607개 광원이 초신성으로 확정되었거나 후보이기 때문에 초신성을 수록하는 편집물 중 가장 방대하다.[57]
2. 3. SDSS-III (2008-2014)
SDSS 3차는 2008년 중반에 시작되었으며, 네 개의 탐사로 분리되어 진행되었다.[58]- APO 은하진화탐사(APOGEE): 우리 은하 내부를 가로막는 티끌을 뚫고 관측하기 위해 고해상도 및 고신호잡음비의 적외선 분광학을 사용했다.[59] 팽대부, 막대, 원반, 헤일로 등 우리 은하 전체에서 10만 개의 적색거성을 조사할 예정이었다.[60] 높은 분광해상도(λ ~ 1.6 μm에서 R ~ 20,000)와 신호잡음비(S/N ~ 100)로 많은 별을 관측하여, 형성 당시 기체구름의 조성을 밝히는 데 필요한 약 15개 원소의 풍부도를 제공했다. APOGEE는 2011년부터 2014년까지 자료를 수집했고, 2013년 7월에 최초로 공개되었다.
- 중입자진동 분광탐사(BOSS): 우주의 팽창률을 측정하기 위해 계획되었다.[61] 밝은 적색 은하(LRGs)와 퀘이사의 공간 분포를 지도화하고, 우주 초기의 중입자 음향 진동이 남긴 특정 규모를 탐지했다. 이는 은하들 간 위치에 특정한 규모를 남기는, 연못에 퍼지는 물결과 같은 음파와 유사하다. BOSS는 우주의 규모를 1% 정확도로 측정했으며, 2014년 봄에 완료되었다.[62]
- 다중천체 APO 외계행성 시선속도 광역탐사(MARVELS): 밝은 별 11,000개의 시선속도를 조사하여 공전주기가 수 시간에서 2년에 이르는 거대기체행성을 탐지하는 것을 목표로 했다. 이를 위해 SDSS 망원경과 새로운 다중천체 도플러이동 측정기구를 사용한 지상 도플러이동 탐사[63]를 수행했다. MARVELS의 주요 목표는 질량이 0.5에서 10 목성질량 사이인 거대 행성에 대한 통계적으로 명확한 표본을 대규모로 만드는 것이었다. 18개월 주기로 총 11,00개의 별들을 25회에서 35회 관측하여 분석했고, 150개에서 200개 정도의 새로운 외계행성이 탐지될 것으로 예상되었다. 또한, 극단적인 이심률을 가지거나 "갈색왜성 결핍지"의 천체가 있는 희귀한 계를 연구할 기회도 제공했다.[63][64] 수집된 자료는 통계학적인 샘플로서 희귀한 계의 발견과 이론적인 비교에 사용되었다.[65] 탐사는 2008년 가을부터 2014년 봄까지 이루어졌다.[63][66]
- 슬론 확장은하이해탐사(SEGUE): SEGUE 1은 다양한 분광형을 가진 별 약 240,000개의 스펙트럼을 획득했다. 이 성공을 바탕으로 SEGUE 2가 착수되어, 약 10 kpc에서 60 kpc 거리에 있는 우리 은하의 항성헤일로 현지에 초점을 맞추어 약 120,000개의 별을 분광학적으로 관측하였다. SEGUE 1과 2에서 얻은 자료는 은하 헤일로와 원반의 복잡한 운동 및 화학적 세부구조를 밝혀, 은하의 구조와 (화학적) 풍부화 역사에 대한 중요한 단서를 제공했다. 특히 헤일로 외곽은 만기강착사건에 지배되는 것으로 추측된다. SEGUE는 현존하는 항성헤일로 형성 모형에 제약을 가하고, 우리 은하 생성에 관한 차세대 고해상도 시뮬레이션에도 영향을 줄 수 있다. 또한, SEGUE 1과 SEGUE 2는 화학적으로 원시적인, 희귀한 별들에 대한 사실을 밝힐 때도 도움을 줄 수 있다. 이 별들은 우주의 별생성사에서 가장 이른 세대의 잔재이다. 이 탐사는 별 240,000개의 스펙트럼을 이용하여 우리 은하의 외곽을 지도화 하도록 계획되었으며, 탐사를 통해 수집할 표본의 양은 SEGUE 1의 조사 표본의 두 배에 달한다.[67]

2. 4. SDSS-IV (2014-2020)
SDSS 4차(SDSS-IV, 2014-2020)는 우주 역사 초기의 중요한 시점에서 우주론적 측정값들의 정밀성을 높이는 계획(eBOSS)을 포함한다. 또한, 북반구와 남반구에서 우리 은하의 적외선 분광탐사(APOGEE 2)를 확장했고, 슬론 분광카메라를 이용해서 각 은하들을 공간적으로 분해하여 지도를 만드는 계획(MaNGA)도 포함한다.[69]우리 은하의 항성 탐사는 사용 장비에 따라 북반구와 남반구로 나뉜다. 북반구에서는 APO의 브라이트 타임을 이용하여 탐사하고 남반구에서는 라스 캄파나스의 구경 2.5 m 듀퐁 망원경을 이용하여 탐사한다.
확장 중입자진동 분광탐사(eBOSS)는 퀘이사와 은하를 우주론적으로 탐사한다. 또 변광 천체들을 탐사하는 TDSS와 엑스선 광원을 탐사하는 SPIDERS와 같은 두 개의 작은 탐사계획을 병행하고 있다.
애파치 포인트 천문대 근방은하지도화(MaNGA)는 2014년부터 근방 은하 대략 10,000개에 대하여 내부 구조를 상세하게 탐사하고 있다. 앞선 SDSS 탐사는 은하 중심의 스펙트럼만을 관측할 수 있었다. MaNGA는 육각형으로 묶인 2차원 광섬유 배열을 사용함으로써, 공간 분해된 분광자료로 은하의 내부 지역을 지도화한다. 이를 통해 시선 속도나 별생성영역처럼 은하의 구조에 관해 더 심층적인 분석이 가능할 것이다.[70] MaNGA의 목표는 근방의 은하에서 천체물리학적 연구를 진척하는 것이다. 2020년까지 진행될 예정이다.[71]
2. 5. SDSS-V (2020-현재)
2020년 7월, 20년에 걸친 조사를 마친 슬론 디지털 전천 탐사(SDSS) 천체 물리학자들은 지금까지 가장 크고 상세한 3차원 우주 지도를 발표했으며, 이는 우주의 팽창 역사에서 110억 년의 격차를 메우고 평평한 우주의 기하학 이론을 뒷받침하고 서로 다른 지역이 서로 다른 속도로 팽창하는 것으로 보이는 데이터를 제공했다.[8][9]뉴멕시코주에 위치한 아파치 포인트 천문대(Apache Point Observatory)는 2020년 10월 SDSS-V의 데이터를 수집하기 시작했다. 아파치 포인트는 2021년 중반까지 별빛이 통과할 수 있도록 수동으로 구멍을 뚫은 알루미늄 판인 플러그 플레이트에서 소형 자동 로봇 팔로 전환될 예정이며, 칠레에 있는 라스 캄파나스 천문대(Las Campanas Observatory)는 그 해 말에 전환될 예정이다. 은하계 매퍼(Milky Way Mapper) 관측은 6백만 개의 별의 스펙트럼을 목표로 한다. 블랙홀 매퍼(Black Hole Mapper) 관측은 은하의 초대질량 블랙홀을 간접적으로 분석하기 위해 은하를 목표로 한다. 로컬 볼륨 매퍼(Local Volume Mapper) 관측은 근처 은하의 성간 매질 구름을 분석하기 위해 이를 목표로 한다.[37][38]
3. 관측 장비
SDSS는 1998년부터 2009년까지 영상 및 분광 관측에 사용된 전용 2.5m 광각 광학 망원경을 갖추고 있다. 2009년 말 영상 카메라가 퇴역한 이후, 망원경은 분광 관측만 수행하고 있다.
사진은 u, g, r, i, z의 5개 필터로 구성된 측광계를 사용하여 촬영되었다. 이 사진들은 관측된 천체 목록을 작성하고, 점상 또는 퍼진 상으로 보이는지, CCD가 검출하는 밝기가 다양한 종류의 밝기 등급과 연관되는지에 따른 다양한 변수 목록을 작성하는 데 사용된다.
분광 카메라는 알루미늄 판에 뚫린 구멍을 통해 보이는 각 표적에 광섬유를 공급하여 작동한다.[51] 각 구멍은 선정된 표적에 정확히 맞춰져 있어 스펙트럼을 얻는 모든 영역에서 특수한 판이 필요하다. 본래 망원경에 부착된 분광 카메라는 640개의 스펙트럼을 동시에 기록할 수 있었으나, SDSS III를 착수하면서 성능이 향상되어 한 번에 1000개의 스펙트럼을 기록할 수 있게 되었다. 망원경은 매일 밤 약 200 GB의 자료를 만들어낸다.
3. 1. 망원경
SDSS 프로젝트를 위해 미국 뉴멕시코주의 아파치 포인트 천문대에 구경 2.5m의 반사 망원경이 설치되었다. 효율적인 관측을 위해 보름달 약 30개 분량의 넓은 시야를 한 번에 촬영할 수 있도록 설계되었다.[48] 대기의 흔들림을 최소화하기 위해 일반적인 천문대 돔 없이 격납고에서 완전히 인출된 상태로 운용된다.[48]망원경은 드리프트 스캐닝 기법을 사용하는데, 이는 망원경이 대원을 그리며 하늘을 연속 촬영하는 방식이다.[48] 초점면에 맺히는 별들의 상은 CCD 칩을 따라 움직이며, 정확히 같은 속도로 전류가 탐지기를 따라 흘러 별들이 멈춘 것처럼 보이게 한다. 이 방법은 넓은 영역에 대한 일관된 측정을 가능하게 하지만, 작은 왜곡 효과가 발생할 수 있다.[48]
망원경의 영상카메라는 총 120 메가픽셀 해상도를 가진 30개의 CCD 칩으로 구성되어 있으며,[49] 5개의 광학 필터(u, g, r, i, z)를 통해 관측한다.[50] 각 필터는 특정 파장의 빛을 통과시키며, 이를 통해 천체의 색과 밝기를 측정한다. 카메라는 잡음을 줄이기 위해 액체질소로 -80℃까지 냉각된다.
분광기는 알루미늄 판에 뚫린 구멍을 통해 각 표적에 광섬유를 공급하여 작동하며,[51] 한 번에 최대 1000개의 스펙트럼을 기록할 수 있다. 망원경은 매일 밤 약 200 GB의 자료를 생성한다.
3. 2. CCD 카메라
도쿄 대학 우주선 연구소 그룹에서 제작한 400만 화소 CCD 칩 30개로 구성된 대규모 카메라가 망원경에 장착되었다.[49] 각 칩의 해상도는 2048×2048 픽셀이며, 카메라의 총 해상도는 약 120 메가픽셀이다.[49] 이 칩들은 6개씩 5줄로 배열되어 있으며, 각 줄에는 u, g, r, i, z 필터 중 하나가 배치되어 있어 동시에 5가지 색상의 이미지를 촬영할 수 있다.[50] 각 광학 필터의 평균 여과 파장은 순서대로 355.1, 468.6, 616.5, 748.1, 893.1 nm이다.[50] 카메라는 잡음을 줄이기 위해 액체질소로 190 켈빈(약 -80℃)까지 냉각된다.[50]u | g | r | i | z | |
---|---|---|---|---|---|
평균 파장 (nm) | 355.1 | 468.6 | 616.5 | 748.1 | 893.1 |
등급 한계 | 22.0 | 22.2 | 22.2 | 21.3 | 20.5 |
참고: 색상은 근사치일 뿐이며 파장을 sRGB 표현으로 변환한 것입니다.[13]
3. 3. 분광 장치
분광 관측을 위해 알루미늄 판에 천체의 위치에 맞춰 구멍을 뚫고 광섬유를 통과시켜 빛을 분광기에 전달하는 다천체 분광 장치가 사용되었다.[51] SDSS의 분광 장치는 한 번에 640개의 천체를 분광할 수 있었으며, SDSS-III에서는 한 번에 1000개의 스펙트럼을 기록 할 수 있도록 성능이 향상되었다.4. 자료 처리 및 공개
SDSS는 관측 자료를 인터넷으로 공개하고 있다. '''SkyServer'''는 마이크로소프트 SQL 서버 기반으로 다양한 인터페이스를 제공하여, 스펙트럼과 영상을 쉽게 이용할 수 있도록 돕는다. 예를 들어, SDSS 공개 자료에서 다루는 하늘의 특정 영역 풀컬러 영상은 좌표만 입력하면 얻을 수 있다.[47] 이 자료는 비상업적 용도로 특별한 허가증 없이 사용 가능하다. SkyServer는 어린 학생부터 전문 천문학자까지 모든 사람을 위한 다양한 설명서를 제공한다. 2013년 7월에는 10차 주요 자료 공개(DR10)가 발표되었으며,[47] 다양한 검색 인터페이스를 통해 영상, 영상화 목록, 스펙트럼, 적색편이 자료를 제공한다.
(천체 데이터베이스로 처리되기 전의) 원자료는 다른 인터넷 서버를 통해서도 접근할 수 있다. NASA World Wind 프로그램의 '플라이스루(fly-through)' 기능에 처음으로 사용되기도 했다.
구글스카이는 SDSS 자료를 포함하고 있어, 해당 자료가 반영된 영역에서 SDSS 자료에 접근할 수 있다. 또한 구글스카이에는 SDSS 측광 및 분광 레이어용 KML 플러그인이 있어,[72] 프로그램 내에서 SkyServer 자료에 직접 접근할 수 있다. 이 자료는 헤이든 플라네타리움의 3D 비주얼라이저에도 이용된다.
SDSS의 스트라이프 82 영역에 대한 목록 자료는 계속 늘어나고 있다.
마이크로소프트 리서치의 기술동업자 짐 그레이는 SkyServer 프로젝트에 기여했으며, 이후 마이크로소프트의 월드와이드 텔레스코프는 SDSS와 기타 자료원을 이용하고 있다.[73]
밀키웨이앳홈 또한 SDSS 자료를 이용해 우리 은하의 3D 모델을 매우 정확하게 만들었다.
5. 주요 성과
SDSS 자료는 관측 가능한 우주의 한계에 있는 먼 은하, 은하의 분포, 우리 은하의 별들의 특징, 그리고 우주의 암흑물질이나 암흑에너지와 같은 광범위한 천문학적 주제를 연구하는 데 활용되었다.[74] 2012년 8월 8일에는 9차 공개자료를 기반으로 거대한 은하와 멀리 있는 블랙홀의 3D 지도가 공개되었다.[75]
SDSS는 미국, 일본, 독일 3개국 공동 프로젝트로 시작되었으며, 1억 개의 천체 위치와 밝기를 측정하고 그 중 10만 개 천체에 대해 분광 관측을 실시하여 적색편이를 통해 거리를 결정하는 것을 목표로 했다. 이를 통해 우주의 대규모 구조로 알려진 은하의 분포를 광범위하고 정밀하게 파악할 수 있을 것으로 기대되었다.
1998년에 망원경과 CCD 카메라, 1999년에는 분광 장치가 완성되어 관측이 시작되었다. 약 5년간의 관측으로 2005년에는 전천의 25%에 대한 천체 탐사를 종료하고, 총 2억 개에 달하는 천체를 관측하여 매우 상세한 우주의 3차원 지도를 제작하였다.
이후 SDSS-II라는 제2단계에서는 은하계 내 별을 관측하여 은하계 진화를 연구하는 SEGUE, SDSS-I보다 넓은 범위를 관측하는 슬론 레거시 서베이, 멀리 떨어진 은하의 Ia형 초신성을 관측하여 우주 팽창을 연구하는 슬론 초신성 서베이의 3가지 프로그램이 실행되었다. SDSS-II는 대한민국, 중국, 스위스 등 25개 대학, 연구소, 연구자 그룹이 추가로 참여하여 추진되었다.
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