국제 자외선 탐사선

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1. 개요

국제 자외선 탐사선(IUE)은 1978년 발사된 NASA, ESA, SERC의 공동 프로젝트로, 자외선 영역에서 천체를 관측하는 데 사용되었다. 정지 궤도에 위치하여 실시간 관측과 데이터 전송을 가능하게 했으며, 태양계 행성, 별, 성간 매질, 활동 은하핵 등 다양한 천체에 대한 연구를 수행했다. IUE는 3년의 설계 수명을 넘겨 1996년까지 운용되었으며, 그동안 축적된 데이터는 천문학 연구에 크게 기여했다.

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국제 자외선 탐사선
개요
국제 자외선 탐사선 (Explorer 57) 위성
임무 유형	자외선 천문학
운영 기관	NASA / ESA / SERC
COSPAR ID	1978-012A
SATCAT	10637
웹사이트	ESA 과학 및 기술 NASA IUE 아카이브
임무 기간	1978년 1월 26일 ~ 1996년 9월 30일 (달성), 3년 (계획)
우주선 정보
우주선	Explorer LVII
우주선 유형	국제 자외선 탐사선
우주선 버스	SAS (소형 천문 위성)
제조사	고다드 우주 비행 센터
발사 질량	669 kg
전력	424 와트
발사 정보
발사 날짜	1978년 1월 26일, 17:36:00 UTC
발사 로켓	Thor-Delta 2914 (Thor 628 / Delta 138)
발사 장소	케네디 우주 센터, LC-17A
발사 계약자	더글러스 항공
운용 정보
서비스 시작	1978년 4월 3일
서비스 종료	1996년 9월 30일
마지막 교신	1996년 9월 30일, 18:44 UTC
궤도 정보
궤도 기준	지구 중심 궤도
궤도 종류	정지 궤도
궤도 경도	서경 70.0°
탑재 장비
장비 목록	입자 플럭스 모니터 (우주선) 자외선 분광기 패키지
망원경 정보
망원경 유형	리치-크레티앙 카세그렌 반사경
망원경 구경	45 cm
망원경 초점 비율	f/15
망원경 파장	자외선 115 ~ 320 nm
프로그램 정보
프로그램	Explorer Program
이전 임무	ISEE-1 (Explorer 56)
다음 임무	HCMM (Explorer 58)
기타
IUE 임무 ESA 패치

2. 프로젝트의 역사

자외선 천문학은 우주 시대 이전에는 불가능했으며, 최초의 우주 망원경 중 일부는 이전에 접근할 수 없었던 전자기 스펙트럼 영역을 관측하기 위해 설계된 자외선 망원경이었다. 특히 성공적인 예는 1968년에 발사된 OAO-2로, 20cm 자외선 망원경 여러 대를 탑재하여 주로 별을 포함한 1200개 천체에 대한 최초의 자외선 관측을 수행했다.^[4] OAO-2의 성공은 천문학자들이 더 큰 규모의 임무를 고려하게 만들었다.

1964년 영국의 과학자 그룹은 유럽 우주 연구 기구(ESRO)에 자외선 천문 위성 개념을 제안했으나, 당시 ESRO의 기술력으로는 실현하기 어려웠다. 이에 로버트 윌슨은 이 개념을 미국 항공 우주국(NASA)에 제안했고, NASA는 이를 채택하여 SAS-D (Small Astronomy Satellite-D)로 발전시켰다.

이후 영국 과학 연구 위원회(SRC)는 과학 기기 소프트웨어와 스펙트럼 그래프용 비지콘 카메라를 제공했고, 유럽 우주국(ESA)는 마드리드 근교 유럽 우주 천문학 센터의 지상국과 태양 전지 패널을 제공했다. NASA는 위성 기체, 망원경, 스펙트럼 그래프, 발사 시설, 고다드 우주 비행 센터의 지상국을 제공하여 프로젝트에 협력했다.

관측 시간은 기여도에 따라 NASA가 2/3, ESA가 1/6, SRC가 1/6으로 분배되었다.

2. 1. 제안 및 초기 설계

1964년, 영국의 천문학자 로버트 윌슨은 궤도를 도는 자외선 위성을 처음으로 제안했다.^[5] 당시 유럽 우주 연구 기구(ESRO)는 '대형 천문 위성'(LAS) 계획을 추진하면서 천문학계에 목표와 설계에 대한 제안을 요청했다. 윌슨은 자외선 분광 사진기를 제안하는 영국 팀을 이끌었고, 이들의 설계는 1966년에 승인 권고를 받았다.

그러나 관리 문제와 비용 초과로 인해 1968년 LAS 프로그램은 취소되었다.^[5] 윌슨 팀은 계획을 축소하여 ESRO에 더 작은 규모의 제안서를 제출했지만, 우주선 위성이 우선시되어 채택되지 않았다. 궤도 UV 망원경 아이디어를 포기하는 대신, 윌슨 팀은 NASA 천문학자 레오 골드버그에게 계획을 보냈고, 1973년에 승인을 받았다. 제안된 망원경은 '국제 자외선 탐사선'으로 이름이 변경되었다.^[5]^[6]

이후 해당 내용은 NASA에 의해 채택되어 SAS-D (Small Astronomy Satellite-D)로 발전되었다.

2. 2. 협력 및 개발

1964년, 영국의 과학자 그룹이 유럽 우주 연구 기구(ESRO)에 자외선 천문 위성의 개념을 제안했다. 그러나 이 제안은 당시 ESRO의 기술력을 넘어섰기 때문에 로버트 윌슨이 미국 항공 우주국(NASA)에 이 개념을 제공했다.^[5] NASA는 이 아이디어를 채택하여 SAS-D (Small Astronomy Satellite-D)로 발전시켰다.

영국 과학 연구 위원회(SRC)도 이 계획에 참여하여 과학 기기의 소프트웨어와 스펙트럼 그래프를 위한 비지콘 카메라를 제공했다. 유럽 우주국(ESA)는 마드리드 근교에 있는 유럽 우주 천문학 센터의 지상국과 태양 전지 패널을 제공했다. NASA는 위성 기체, 망원경, 스펙트럼 그래프, 발사 시설, 고다드 우주 비행 센터의 지상국을 제공했다.^[5]^[6]

관측 시간은 계획의 기여도에 따라 NASA: 2/3, ESA: 1/6, SRC: 1/6으로 배분되었다.

2. 3. 발사 및 시운전

1978년 1월 26일 케네디 우주 센터에서 IUE 우주선을 발사하는 델타 2914.

국제 자외선 탐사선(IUE)은 1978년 1월 26일 플로리다주 케네디 우주 센터에서 토르 델타 발사체로 발사되었다.^[11] 전이 궤도로 발사된 후, 탑재된 발사체를 통해 정지 궤도에 진입했다. 이 궤도는 지구 적도에 대해 28.6° 기울어져 있었고, 궤도 이심률은 0.24였다. 이는 위성의 지구로부터의 거리가 25669km에서 45887km 사이에서 변동했음을 의미한다.^[7] 지상 궤적은 초기에는 서경 70° 부근에 중심을 두었다.

IUE 임무의 처음 60일은 시운전 기간으로 지정되었으며, 세 단계로 나뉘어 진행되었다.

1. 기기 점검: 기기가 켜진 직후, IUE는 조기 고장 발생에 대비하여 데이터를 확보하기 위해 우선순위가 높은 천체들을 관측했다. 발사 3일 후 보정 목적으로 에타 큰곰자리를 관측하여 최초의 스펙트럼을 얻었다.^[11] 첫 과학 관측 대상으로는 달, 화성부터 천왕성까지의 행성, 에타 카리나를 포함한 뜨거운 별, 엡실론 에리다니를 포함한 차가운 거성, 블랙홀 후보 백조자리 X-1, 메시에 81 (M81)과 메시에 87 (M87)을 포함한 은하 등이 있었다.^[12]^[13]^[14]^[15]^[16]

2. 성능 최적화: 우주선 시스템을 시험하고 최적화했다. 망원경의 초점을 맞추고, 두 채널의 주 카메라와 예비 카메라를 시험했다. SWR 카메라는 작동하지 않는 것으로 확인되어, 임무 전반에 걸쳐 SWP 카메라를 사용했다. 처음에는 SWP 카메라도 전자 노이즈 문제를 겪었으나, 발사 후 망원경 정렬에 사용된 센서를 끄자 문제가 해결되었다.^[11] 이후 카메라 성능을 최적화하고, 망원경의 회전 및 유도 성능을 평가하고 최적화했다.^[17]

3. 보정 작업: 영상 품질과 분광 해상도를 연구하고 특성화했으며, 잘 알려진 별들을 관측하여 망원경, 분광기, 카메라의 성능을 보정했다.^[17]

위의 세 단계를 완료한 후, 1978년 4월 3일에 "정상 운용 단계"가 시작되었다. 최적화, 평가 및 보정 작업은 완료되지 않았지만, 망원경은 일상적인 과학 관측을 시작할 수 있을 만큼 충분히 성능이 검증되었다.^[17]

3. 망원경의 구조 및 특징

IUE 과학 장비의 핵심: 망원경 튜브와 햇빛 가리개가 지지대 회전 지점 위로 뻗어 있으며, 카메라는 바로 아래에 있고, 일부 거울과 회절 격자는 하단에 있다. 어셈블리 중간에서 뻗어 있는 상자는 우주선의 자이로스코프 위치를 덮고 있다.

국제 자외선 탐사선(IUE) 망원경은 미국 항공우주국(NASA), 유럽 우주 연구 기구(ESRO, 1975년 ESA로 변경)와 영국의 과학·공학 연구 위원회(SERC)의 공동 프로젝트로 건설되었다.^[4] SERC는 분광 사진기에 사용될 비디콘 카메라와 과학 장비용 소프트웨어를 제공했고, ESA는 우주선에 전력을 공급하기 위한 태양 전지와 스페인 빌라프란카 델 카스티요에 지상 관측 시설을 제공했다.^[4] NASA는 망원경, 분광 사진기, 우주선, 발사 시설, 그리고 메릴랜드 주 그린벨트에 있는 고다드 우주 비행 센터(GSFC)에 두 번째 지상 관측소를 제공했다.^[4]

프로젝트 협정에 따라 관측 시간은 NASA에 2/3, ESA에 1/6, 영국의 SERC에 1/6으로 분배되었다.^[4]

3. 1. 주경 및 부경

망원경은 리치-크레티앵 망원경 형식의 반사경으로, 쌍곡선 모양의 주경과 부경을 가지고 있다. 주경의 직경은 45cm였다. 이 망원경은 16 각분 시야 (태양이나 달의 겉보기 지름의 약 절반)에서 고품질의 이미지를 제공하도록 설계되었다.^[7] 주경은 베릴륨으로, 부경은 융합 석영으로 만들어졌는데, 이는 가벼운 무게, 적당한 가격, 그리고 광학적 품질을 고려하여 선택된 재료였다.^[7]

3. 2. 관측 장비

국제 자외선 탐사선(IUE)에 탑재된 관측 장비는 크게 망원경 조준 및 유도에 사용되는 정밀 오차 센서(FES), 고해상도 및 저해상도 분광기, 그리고 4개의 검출기로 구성되었다.^[9]^[10]
정밀 오차 센서(FES)FES는 망원경의 시야를 가시광선으로 이미지화하여 14겉보기 등급의 별까지 감지할 수 있었다. 이는 지구에서 육안으로 볼 수 있는 것보다 약 1500배 더 어두운 별이다. FES가 포착한 이미지는 지상 기지로 전송되었고, 관측자는 이를 통해 망원경이 정확한 시야를 향하고 있는지 확인한 후 관측할 대상을 정밀하게 선택했다. 만약 관측 대상이 14등급보다 어두운 경우에는 관측자가 볼 수 있는 밝은 별을 기준으로 망원경을 조준한 다음, 대상의 좌표를 기반으로 "맹목적" 오프셋을 적용하여 관측을 수행했다. 이러한 맹목적 오프셋의 경우에도 조준 정확도는 일반적으로 2 각초보다 높았다.^[9]

FES는 망원경의 유일한 이미징 기능이었으며, 자외선 관측 시에는 스펙트럼만 기록되었다.
분광기자외선 관측을 위해 IUE에는 단파장 분광기(SWS)와 장파장 분광기(LWS)의 두 가지 분광기가 장착되었다. SWS는 115~200nm, LWS는 185~330nm의 파장 범위를 담당했다. 각 분광기는 분광 분해능이 각각 0.02nm와 0.60nm인 고해상도 및 저해상도 모드를 모두 지원했다.^[10]

분광기는 두 개의 구멍 중 하나와 함께 사용되었다. 더 큰 구멍은 10 × 20 각초 크기의 슬롯 형태였고, 더 작은 구멍은 지름이 약 3각초인 원 형태였다. 망원경 광학 장치의 특성상 점 광원은 약 3각초 크기로 보였기 때문에, 작은 구멍을 사용하기 위해서는 매우 정밀한 조준이 필요했으며, 대상에서 방출되는 모든 빛을 포착하지 못할 수도 있었다. 따라서 대부분의 경우 더 큰 구멍이 사용되었고, 작은 구멍은 넓은 시야에 다른 천체의 불필요한 빛이 포함될 가능성이 있을 때만 제한적으로 사용되었다.^[10]
카메라각 분광기에는 주 카메라와 예비 카메라(주 카메라 고장 대비) 두 대의 카메라가 장착되었다. 이 카메라들은 각각 LWP, LWR, SWP, SWR로 명명되었는데, P는 주(prime), R은 예비(redundant), LW/SW는 장/단파장을 의미한다. 이 카메라들은 텔레비전 카메라와 유사한 방식으로 작동했으며, 가시광선에만 반응했다. 망원경과 분광기를 통해 수집된 빛은 먼저 자외선-가시광선 변환기에 도달했다. 이 변환기는 세슘-텔루륨 음극으로 구성되었는데, 가시광선에는 반응하지 않지만 광전 효과에 의해 자외선 광자와 충돌하면 전자를 방출하는 특성을 가지고 있었다. 방출된 전자는 TV 카메라에 의해 감지되었고, 신호는 최대 수 시간 동안 축적된 후 지구로 전송되었다.^[7]
자외선 분광기 패키지IUE에 탑재된 자외선 분광기 패키지는 천문 관측을 위한 두 개의 독립적인 에셸 분광기/카메라 장치로 구성되었다. 각 분광기는 오프 축 포물면형 콜리메이터, 에셸 격자, 그리고 에셸 차수를 분리하고 스펙트럼을 이미지 변환기와 SEC 비디콘 카메라에 초점을 맞추는 구면 1차 격자로 이루어진 세 요소 에셸 시스템이었다. 각 장치에는 예비 카메라가 있었으며, 카메라 장치는 신호를 통합할 수 있었다. 카메라의 판독 및 준비 주기는 약 20분이었다. 파장 보정은 중공 음극 비교 램프를, 측광 보정은 이전에 스펙트럼 플럭스가 보정된 표준 별 관측을 통해 수행되었다.

두 에셸 분광기/카메라 장치는 모두 고해상도(0.1 옹스트롬(Å)) 또는 저해상도(6 Å) 성능을 제공했다. 고/저해상도 기능은 에셸 격자 앞에 평면 거울을 삽입하여 구현되었으며, 이 경우 분산은 구면 격자에 의해서만 이루어졌다. SEC 비디콘은 최대 수 시간 동안 신호를 통합할 수 있어, 고해상도 및 저해상도 모드에서 각각 9등급 및 14등급의 B0 별에 대해 50의 신호 대 잡음비를 가진 데이터를 얻을 수 있었다.

각 장치는 서로 다른 파장 범위를 가졌다. 한 장치는 고해상도 모드에서 1192~1924 Å, 저해상도 모드에서 1135~2085 Å 범위를, 다른 장치는 고해상도 및 저해상도 모드에서 각각 1893~3031 Å 및 1800~3255 Å 범위를 담당했다. 각 장치에는 3초각 구멍 또는 10 x 20초각 슬롯 형태의 입구 조리개 선택 기능이 있었다. 10 x 20초각 슬롯은 공통 셔터로 닫을 수 있었지만, 3초각 조리개는 항상 열려 있었다. 따라서 (1) 두 개의 3초각 조리개만 열고 두 개의 10 x 20초각 슬롯을 닫거나, (2) 네 개의 조리개를 모두 여는 두 가지 조리개 구성이 가능했다.

관측자는 장파장 및/또는 단파장 분광기, 고/저 해상도, 대형/소형 조리개 등의 관측 옵션을 선택할 수 있었다. 두 분광기를 동시에 사용하여 관측할 수도 있었지만, 각 분광기의 입구 조리개는 서로 달랐고 하늘에서 약 1분각 떨어져 있었다. 한 번에 하나의 카메라에서만 데이터를 읽을 수 있었지만, 다른 카메라가 판독되는 동안 한 카메라를 노출시키는 것은 가능했다. 고/저 해상도 선택은 두 분광기에 대해 독립적으로 설정할 수 있었다.^[40]

3. 3. 작동 방식

IUE 망원경은 처음부터 원격 제어가 아닌 실시간으로 작동하도록 설계되었다. 이를 위해 항성일과 동일한 주기(23시간 56분)를 갖는 정지 궤도에 발사되었다.^[7] 정지 궤도의 위성은 지구 표면의 특정 지점에서 장시간 관측이 가능하여 단일 지상 기지국에 지속적으로 데이터를 전송할 수 있다.

허블 우주 망원경과 같은 대부분의 지구 궤도 우주 관측소는 저궤도에서 자율적으로 작동한다. 허블은 약 600km 고도에서 지구를 공전하는 반면, 정지 궤도는 평균 36000km의 고도를 갖는다.^[7] 정지 궤도는 지상 기지국과의 지속적인 통신뿐만 아니라, 하늘의 더 넓은 부분을 지속적으로 관측할 수 있게 해준다. 지구와의 거리가 멀어 위성에서 볼 때 지구가 하늘의 작은 부분만 차지하기 때문이다.

정지 궤도로 발사하는 것은 저궤도 발사보다 동일한 페이로드(탑재체) 무게에 대해 더 많은 에너지를 필요로 한다.^[7] 이 때문에 IUE 망원경은 상대적으로 작은 45cm 주경과 총 312kg의 무게를 가졌다.^[7] 반면 허블은 2.4m 거울에 11.1톤의 무게를 가지며, 지상 최대 망원경인 거대 카나리아 망원경은 10.4m의 주경을 갖는다. 작은 거울은 집광력과 공간 해상도가 낮다.

3. 4. 지상 지원

고다드 우주 비행 센터와 ESA의 지상국은 매일 3개의 8시간 교대조로 운영되었다.^[19] ESA 지상국에서 한 번, 고다드 우주 비행 센터에서 두 번 교대가 이루어졌다. 우주선이 반 알렌 복사대를 통과할 때는 배경 잡음이 증가하여 과학 관측이 어려웠다. 이 시간은 주로 미국의 두 번째 교대조 동안 발생했으며, 보정 관측, 우주선 유지 보수, 짧은 노출 시간의 과학 관측 등에 활용되었다.^[20]

스페인과 미국 지상국은 하루 두 번 대서양을 사이에 두고 전화로 교대 업무를 조정했다.^[20] 지상국 간 관측 조정은 이루어지지 않아, 교대 근무를 시작하는 천문학자들은 망원경이 어느 방향을 가리킬지 미리 알 수 없었다. 이 때문에 긴 방향 조작으로 관측 교대 근무가 시작되는 경우도 있었지만, 관측 블록 일정에는 최대한의 유연성을 확보할 수 있었다.^[20]

3. 5. 데이터 전송 및 처리

관측 데이터는 각 과학 관측이 끝날 때마다 실시간으로 지구로 전송되었다. 카메라 판독값은 768 × 768 픽셀의 이미지를 형성했으며, 아날로그-디지털 변환기는 8비트의 다이내믹 레인지를 생성했다.^[7] 데이터는 우주선에 있는 6개의 송신기 중 하나를 통해 지구로 전송되었다. 이 중 4개는 우주선 주변에 배치된 S-밴드 송신기였고, 우주선의 자세에 관계없이 지상으로 전송할 수 있었다. 나머지 2개는 초단파 (VHF) 송신기였는데, 더 낮은 대역폭을 유지할 수 있지만 전력 소비가 적고 모든 방향으로 전송 가능하다는 장점이 있었다. VHF 송신기는 우주선이 지구 그림자에 가려 태양광 대신 배터리 전원에 의존할 때 사용되었다.^[42]

일반적인 작동에서 관측자는 망원경을 제자리에 고정하고 관측을 반복할지, 아니면 다음 목표로 전환할지 선택할 수 있었다. 관측을 반복할 경우 약 20분 동안 데이터를 전송했고, 그렇지 않으면 다음 목표를 관측하면서 데이터를 지구로 전송하기 시작했다. 전송된 데이터는 "빠른 확인" 목적으로만 사용되었으며, IUE 직원이 완전한 보정을 수행했다. 천문학자들은 처리 후 약 1주일 후에 자기 테이프로 데이터를 우편으로 받았다. 관측자는 관측 날짜로부터 6개월의 독점 기간을 가졌으며, 이 기간 동안 데이터에 접근할 수 있는 유일한 사람이었다. 6개월 후에는 데이터가 공개되었다.^[21]

4. 주요 관측 성과

IUE(국제 자외선 탐사선)는 태양계 행성부터 멀리 떨어진 퀘이사까지 다양한 천체의 자외선을 관측하여 천문학 발전에 기여했다. IUE 관측 자료는 수많은 과학 논문에 활용되었으며, 국제 천문 연맹(IAU)은 IUE 성과 논의를 위한 심포지엄을 여러 차례 개최했다.^[22]

IUE의 주요 관측 성과는 다음과 같다:

목성의 오로라 최초 발견.^[22]
혜성에서 황 최초 검출.^[22]
혜성의 물 손실량 결정.^[22]
SN 1987A 전구 별이 청색초거성임을 밝힘.^[31]
은하수가 뜨거운 가스의 거대한 헤일로인 은하 코로나로 둘러싸여 있음을 발견.^[33]
NGC 4151 은하 중심 블랙홀 질량 추정.^[38]

4. 1. 태양계 연구

IUE는 천문학자들에게 태양계 행성에서부터 멀리 떨어진 퀘이사에 이르기까지 다양한 천체의 자외선 빛을 처음으로 볼 수 있게 해주었다. IUE가 운용되는 동안 수백 명의 천문학자들이 IUE로 관측을 수행했으며, 운영 초기 10년 동안 IUE 데이터를 기반으로 한 1,500편 이상의 피어 리뷰된 과학 논문이 발표되었다. 국제 천문 연맹(IAU)의 9개 심포지엄이 IUE 결과에 대한 논의에 할애되었다.^[22]

수성을 제외한 태양계의 모든 행성들을 관측했다. 망원경은 태양으로부터 45° 이내의 하늘을 가리킬 수 없었으며, 수성의 최대 각거리는 약 28°에 불과하기 때문이다. 금성에 대한 IUE 관측은 1980년대에 금성 대기 중의 일산화 황과 이산화 황의 양이 대폭 감소했음을 보여주었다.^[23] 이러한 감소 이유는 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 한 가지 가설은 대규모 화산 폭발로 인해 황 화합물이 대기 중으로 유입되었고, 폭발이 끝난 후 그 양이 감소했다는 것이다.^[24]

핼리 혜성은 1986년에 근일점에 도달했으며, IUE와 더불어 다수의 지상 및 위성 임무를 통해 집중적으로 관측되었다. UV 스펙트럼은 혜성이 먼지와 가스를 잃는 속도를 추정하는 데 사용되었으며, IUE 관측을 통해 천문학자들은 혜성이 태양계 내부를 통과하는 동안 총 3억ton의 물이 증발했다고 추정할 수 있었다.^[25]

IUE는 또한 다음의 업적을 이루었다.

목성의 오로라의 존재를 최초로 발견
혜성 내의 황을 처음으로 검출
혜성의 물 손실량 결정

4. 2. 별 연구

우주에서 가장 뜨겁고 질량이 큰 별들은 표면 온도가 매우 높아 빛의 대부분을 자외선으로 방출한다. 활동 은하핵, 강착 원반, 초신성 또한 자외선을 강하게 방출한다.^[4] 약 10,000K보다 뜨거운 별은 대부분의 방사선을 자외선으로 방출하므로, 가시광선으로만 연구하면 많은 정보를 놓치게 된다. 별의 대다수는 태양보다 차갑지만, 더 뜨거운 별 중에는 성간 공간으로 막대한 양의 물질을 쏟아내는 거대하고 매우 밝은 별과 항성 진화의 마지막 단계인 백색 왜성이 있다. 백색 왜성은 처음 형성될 때 온도가 100,000K에 달한다.

IUE(국제 자외선 탐사선)는 주계열성의 백색 왜성 동반성을 많이 발견했다. 시리우스와 같은 항성계가 그 예시인데, 가시광선에서는 주계열성이 백색 왜성보다 훨씬 밝지만, 자외선에서는 백색 왜성이 더 밝거나 비슷할 수 있다. 이는 온도가 높을수록 짧은 파장에서 대부분의 방사선을 방출하기 때문이다. 이러한 항성계에서 백색 왜성은 원래 더 무거운 별이었지만, 진화 후기 단계에서 대부분의 질량을 잃었다. 이중성 별은 궤도 운동 관찰을 통해 별의 질량을 측정하는 유일한 직접적인 방법을 제공한다. 따라서 두 구성원이 항성 진화의 서로 다른 단계에 있는 이중성 별을 관찰하여 별의 질량과 진화 방식 간의 관계를 결정할 수 있다.^[26]

태양 질량의 약 10배 이상인 별은 강력한 항성풍을 가지고 있다. 태양은 태양풍에서 연간 약 10⁻¹⁴ 태양 질량을 잃으며 최대 750km/s로 이동하지만, 거대한 별은 초당 수천 킬로미터로 이동하는 바람으로 매년 최대 10억 배 더 많은 물질을 잃을 수 있다. 이 별들은 수백만 년 동안 존재하며, 이 기간 동안 항성풍은 질량의 상당 부분을 운반하며 별이 초신성으로 폭발할지 여부를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.^[27] 이러한 항성 질량 손실은 1960년대에 로켓 탑재 망원경을 사용하여 처음 발견되었지만, IUE를 통해 천문학자들은 매우 많은 수의 별을 관찰할 수 있었고, 항성 질량 손실이 질량 및 광도와 어떻게 관련되어 있는지에 대한 최초의 적절한 연구를 수행할 수 있었다.^[28]^[29]

4. 3. 초신성 1987A (SN 1987A)

IUE 데이터는 SN 1987A의 전구 별이 청색초거성이었다는 것을 밝히는 데 사용되었는데, 이는 이론에서 적색초거성일 것으로 예상했던 것과는 다른 결과였다.^[31] 허블 우주 망원경의 이미지는 폭발 훨씬 전에 별이 방출한 질량으로 구성된, 전구 별을 둘러싼 성운을 보여주었다. 이 물질에 대한 IUE 연구는 질소가 풍부하다는 것을 보여주었는데, 질소는 CNO 순환에서 형성되며, CNO 순환은 태양보다 훨씬 더 질량이 큰 별에서 방출되는 대부분의 에너지를 생성하는 일련의 핵 반응이다.^[32] 천문학자들은 별이 적색 초거성이었고, 청색 초거성으로 진화하여 폭발하기 전에 많은 양의 물질을 우주로 방출했다고 추론했다.

4. 4. 성간 매질 연구

성간 매질(ISM)은 뜨거운 별이나 퀘이사 같은 배경 광원을 관측하여 연구한다. 성간 물질은 배경 광원의 빛을 일부 흡수하여, 그 구성과 속도를 연구할 수 있게 한다. 국제 자외선 탐사선(IUE)의 초기 발견 중 하나는 은하수가 은하 코로나로 알려진 뜨거운 가스의 거대한 헤일로로 둘러싸여 있다는 것이었다.^[33] 우주선과 초신성에 의해 가열된 뜨거운 가스는 은하수 평면 위아래로 수천 광년까지 확장된다.^[34]

IUE 데이터는 또한 먼 광원에서 오는 빛이 시선 방향을 따라 있는 먼지에 의해 어떻게 영향을 받는지 결정하는 데 매우 중요했다. 거의 모든 천문학적 관측은 이러한 성간 소광의 영향을 받으며, 이를 보정하는 것은 대부분의 천문학적 스펙트럼 및 이미지 분석의 첫 번째 단계이다. IUE 데이터는 은하 내에서 성간 소광이 몇 개의 간단한 방정식으로 잘 설명될 수 있음을 보여주는 데 사용되었다. 파장에 따른 소광의 상대적인 변화는 방향에 따라 거의 변동이 없으며, 오직 흡수의 절대적인 양만 변한다. 다른 은하의 성간 흡수도 유사하게 비교적 간단한 "법칙"으로 설명될 수 있다.^[35]^[36]^[37]

4. 5. 활동 은하핵 (AGN) 연구

NGC 4151는 가장 밝은 세이퍼트 은하 중 하나이다. IUE 발사 직후 유럽 천문학자들은 이 은하의 자외선 방출 시간 변화를 측정했는데, 자외선 변화가 광학 및 적외선 파장에서 관측되는 것보다 훨씬 크다는 것을 발견했다. IUE 관측은 은하 중심 블랙홀 연구에 사용되었으며, 블랙홀 질량은 태양 질량의 5천만에서 1억 배 사이로 추정되었다.^[38] 자외선 방출은 며칠 만에 변동했는데, 이는 방출 영역이 불과 며칠간의 광일에 걸쳐 있다는 것을 의미한다.^[22]

퀘이사 관측은 은하간 공간 탐사에 사용되었다. 지구와 퀘이사 사이의 수소 가스 구름은 라이먼 알파 파장에서 방출되는 빛의 일부를 흡수한다. 구름과 퀘이사는 지구로부터 다른 거리에 있고, 우주의 팽창으로 인해 다른 속도로 이동하기 때문에, 퀘이사 스펙트럼에서는 자체 라이먼 알파 방출보다 짧은 파장에서 흡수 특성이 나타난다. 이를 "라이먼 알파 숲"이라고 부른다. IUE 이전에는 라이먼 알파 숲 관측이 매우 먼 퀘이사로 제한되었지만, IUE를 통해 더 가까운 퀘이사를 연구할 수 있었다. 천문학자들은 이 데이터를 통해 가까운 우주에는 먼 우주보다 수소 구름이 적다는 것을 밝혀냈는데, 이는 시간이 지남에 따라 이러한 구름이 은하로 형성되었음을 시사한다.^[39]

5. 임무 종료 및 유산

IUE는 천문학자들에게 태양계 행성에서부터 멀리 떨어진 퀘이사에 이르기까지 다양한 천체의 자외선 관측을 처음으로 가능하게 해주었다. IUE 운용 기간 동안 수백 명의 천문학자들이 관측을 수행했으며, 운영 초기 10년 동안 IUE 데이터를 기반으로 1,500편 이상의 피어 리뷰된 과학 논문이 발표되었다. 국제 천문 연맹(IAU)의 9개 심포지엄이 IUE 결과에 대한 논의에 할애되었다.^[22]

IUE 임무는 장기간 지속되었고, 해당 기간 동안 천문학자들에게 유일한 자외선 관측 수단을 제공했기 때문에 천문학에 큰 영향을 미쳤다. IUE 임무 종료 시점에는 가장 성공적이고 생산적인 우주 관측 임무 중 하나로 평가받았다.^[3] 임무 종료 후 수년 동안, IUE 데이터 아카이브는 천문학에서 가장 많이 사용된 데이터 세트였으며, 전 세계적으로 250개 이상의 박사 학위 프로젝트에 활용되었다.^[44] 현재까지 IUE 데이터를 기반으로 약 4,000편의 동료 검토 논문이 발표되었으며, 이 중에는 역대 가장 많이 인용된 천문학 논문도 포함되어 있다. 가장 많이 인용된 논문은 성간 적색화의 특성을 분석한 논문으로, 5,500회 이상 인용되었다.^[35]

허블 우주 망원경은 2021년 현재 31년 동안 궤도에 있었으며, 허블 데이터는 그동안 약 10,000편의 동료 검토 간행물에 사용되었다.^[49] 2009년 우주 왕복선을 통해 우주 기원 분광기가 허블 우주 망원경에 설치되었으며, 이 장치는 자외선 스펙트럼을 기록하여 자외선 관측 능력을 입증했다. 또 다른 자외선 우주 망원경으로는 2003년부터 2013년까지 운영된 광각 영상 GALEX 우주 망원경이 있다.

Habex 또는 고급 기술 대구경 우주 망원경 (ATLAST)과 같은 일부 망원경 계획에는 자외선 관측 기능이 포함되어 있지만, 실제로 실현 가능할지는 불분명하다. 2010년대에는 많은 망원경 프로젝트가 어려움을 겪었으며, 일부 지상 관측소조차 예산 절감을 위해 폐쇄될 가능성이 있는 것으로 나타났다.

5. 1. 임무 종료

IUE는 최소 3년의 수명을 가지도록 설계되었으며, 5년 동안 임무를 수행할 수 있는 소모품을 탑재했으나,^[42] 설계 수명보다 훨씬 더 오래 지속되었다. 때때로 하드웨어 고장으로 어려움이 있었지만, 이를 극복하기 위한 혁신적인 기술이 고안되었다. 예를 들어, 우주선은 안정 유지를 위해 6개의 자이로스코프를 갖추고 있었는데, 1979년, 1982년, 1983년, 1985년, 1996년에 자이로스코프가 잇따라 고장나면서 결국 하나만 남게 되었다.^[42] 망원경 제어는 망원경의 태양 센서를 사용하여 우주선의 자세를 결정했으며, 3축 안정화는 다섯 번째 고장 이후에도 태양 센서, 미세 오류 센서 및 단 하나의 남은 자이로스코프를 사용하여 가능했다. 망원경 시스템의 다른 대부분의 부품은 임무 기간 동안 완벽하게 작동했다.^[42]

1995년, NASA의 예산 문제로 임무 종료 직전까지 갔지만, 운영 책임이 재분배되어 ESA가 하루 16시간, GSFC가 나머지 8시간을 담당하게 되었다. ESA의 16시간은 과학 운영에 사용되었고, GSFC의 8시간은 유지 보수에만 사용되었다.^[42] 1996년 2월, 추가 예산 삭감으로 인해 ESA는 더 이상 위성을 유지 관리하지 않기로 결정했다. 1996년 9월 30일에 운영이 중단되었고, 남아 있던 모든 히드라진이 방출되었으며, 배터리가 방전되어 꺼졌고, 같은 날 18시 44분(UTC)에 무선 송신기가 꺼지면서 우주선과의 모든 연락이 두절되었다.^[42]

5. 2. IUE 아카이브

IUE 아카이브는 가장 많이 사용되는 천문학 아카이브 중 하나이다.^[44] 데이터는 임무 시작부터 보관되었으며, 아카이브 접근은 이를 사용하고자 하는 모든 사람에게 무료였다. 그러나 월드 와이드 웹과 빠른 글로벌 데이터 전송 링크가 등장하기 훨씬 전인 임무 초창기에는 아카이브에 접근하기 위해 콜로라도 대학교와 고다드 우주 비행 센터(GSFC)에 있는 두 개의 지역 데이터 분석 시설(RDAF) 중 한 곳을 직접 방문해야 했다.^[45]

1987년, 고다드 우주 비행 센터의 컴퓨터에 접속하여 아카이브에 전자적으로 접근하는 것이 가능해졌다. 당시 총 23 비트(Gb)의 데이터가 저장된 아카이브는 대용량 저장 장치에 연결되었다. 한 번에 한 명의 사용자가 접속하여 10~30초 안에 관측 데이터를 검색할 수 있었다.^[46]

임무가 두 번째 10년으로 접어들면서, 최종 아카이브를 위한 계획이 수립되었다. 임무 전반에 걸쳐 보정 기술이 개선되었고, 데이터 축소를 위한 최종 소프트웨어는 이전 보정보다 상당한 개선을 가져왔다. 결국, 사용 가능한 전체 원시 데이터 세트는 데이터 축소 소프트웨어의 최종 버전을 사용하여 재보정되었으며, 균일한 고품질 아카이브가 생성되었다.^[47] 오늘날, 아카이브는 우주 망원경 과학 연구소의 미쿨스키 우주 망원경 아카이브에 호스팅되어 있으며, 월드 와이드 웹 및 API를 통해 이용할 수 있다.^[48]

5. 3. 천문학에 미친 영향

IUE (국제 자외선 탐사선) 임무는 장기간 지속되었고, 해당 기간 동안 천문학자들에게 유일한 자외선 관측 수단을 제공했기 때문에 천문학에 큰 영향을 미쳤다. IUE 임무 종료 시점에는 가장 성공적이고 생산적인 우주 관측 임무 중 하나로 평가받았다.^[3] 임무 종료 후 수년 동안, IUE 데이터 아카이브는 천문학에서 가장 많이 사용된 데이터 세트였으며, 전 세계적으로 250개 이상의 박사 학위 프로젝트에 활용되었다.^[44] 현재까지 IUE 데이터를 기반으로 약 4,000편의 동료 검토 논문이 발표되었으며, 이 중에는 역대 가장 많이 인용된 천문학 논문도 포함되어 있다. 가장 많이 인용된 논문은 성간 적색화의 특성을 분석한 논문으로, 5,500회 이상 인용되었다.^[35]

IUE는 천문학자들이 태양계 행성부터 멀리 떨어진 퀘이사에 이르기까지 다양한 천체의 자외선 관측을 처음으로 수행할 수 있게 해주었다. IUE 운용 기간 동안 수백 명의 천문학자들이 관측을 수행했으며, 운영 초기 10년 동안 IUE 데이터를 기반으로 1,500편 이상의 피어 리뷰된 과학 논문이 발표되었다. 국제 천문 연맹(IAU)의 9개 심포지엄이 IUE 결과에 대한 논의에 할애되었다.^[22]

허블 우주 망원경은 2021년 현재 31년 동안 궤도에 있었으며, 허블 데이터는 그동안 약 10,000편의 동료 검토 간행물에 사용되었다.^[49] 2009년 우주 왕복선을 통해 우주 기원 분광기가 허블 우주 망원경에 설치되었으며, 이 장치는 자외선 스펙트럼을 기록하여 자외선 관측 능력을 입증했다. 또 다른 자외선 우주 망원경으로는 2003년부터 2013년까지 운영된 광각 영상 GALEX 우주 망원경이 있다.

Habex 또는 고급 기술 대구경 우주 망원경 (ATLAST)과 같은 일부 망원경 계획에는 자외선 관측 기능이 포함되어 있지만, 실제로 실현 가능할지는 불분명하다. 2010년대에는 많은 망원경 프로젝트가 어려움을 겪었으며, 일부 지상 관측소조차 예산 절감을 위해 폐쇄될 가능성이 있는 것으로 나타났다.

6. 한국 천문학에의 기여

IUE^영어 위성자료를 활용한 한국천문연구원의 연구 참여는 한국 천문학 발전에 다음과 같은 기여를 하였다.

연구 분야	연구 내용	주요 성과
별과 은하의 진화	{{lang 위성자료를 활용하여 별과 은하의 진화 과정을 연구함.	항성 진화의 마지막 단계인 행성상성운의 물리적 특성, 화학 조성, 진화 과정을 밝힘.^[2]
성간 물질의 특성	우리 은하와 외부 은하의 성간 물질 분포 및 특성 연구.	성간 소광 현상, 성간 먼지의 물리적, 화학적 특성 규명.^[2]
활동 은하핵 변광 현상	활동은하핵의 자외선 영역 변광 현상 분석.	활동 은하핵의 에너지원, 구조, 진화 과정 이해.^[2]
별 탄생 영역	별 탄생 영역에서 발생하는 자외선 복사 연구.	별 탄생 초기 단계의 물리적 환경, 별 탄생 메커니즘 규명.^[2]

참조

_[1] 웹사이트 International Ultraviolet Explorer - NASA IUE Archive http://archive.stsci[...] 2023-09-25
_[2] 웹사이트 Display: IUE (Explorer 57) 1978-012A https://nssdc.gsfc.n[...] NASA 2021-11-22
_[3] 웹사이트 ESA Science & Technology: Summary http://sci.esa.int/s[...] 2011-08-27
_[4] 논문 A Second Catalog of Orbiting Astronomical Observatory 2 Filter Photometry: Ultraviolet Photometry of 614 Stars 1999
_[5] 논문 Sir Robert Wilson CBE 16 April 1927 – 2 September 2002: Elected F.R.S. 1975 2004
_[6] 웹사이트 Sir Robert Wilson 1927–2002 http://www.blackwell[...]
_[7] 논문 The IUE spacecraft and instrumentation 1978
_[8] 웹사이트 ESA Science & Technology: Objectives http://sci.esa.int/s[...] 2011-08-07
_[9] 웹사이트 3.6 Blind Offsets and Faint Object Acquisition http://archive.stsci[...] 2011-08-07
_[10] 웹사이트 MAST IUE Scientific Instrument http://archive.stsci[...] 2011-08-07
_[11] 웹사이트 MAST IUE Early History http://archive.stsci[...] 2011-08-07
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_[13] 논문 IUE observations of cool stars: α Aurigae, HR1099, λ Andromedae, and ε Eridani 1978
_[14] 논문 IUE observations of X-ray sources – HD153919 /4U1700-37/, HDE226868 /Cyg X-1/, H 1978
_[15] 논문 IUE observations of extragalactic objects 1978
_[16] 논문 IUE observations of solar system objects 1978
_[17] 논문 In-flight performance of the IUE 1978
_[18] 웹사이트 Index of /iue/newsletters/Vol05 http://archive.stsci[...] 2011-08-07
_[19] 웹사이트 ESA Science & Technology: Ground Operations http://sci.esa.int/s[...] 2011-08-07
_[20] 웹사이트 IUE Operations in Detail http://archive.stsci[...] 2011-08-07
_[21] 웹사이트 IUE Newsletter No. 47 – IUE Observing Guide http://archive.stsci[...] 2011-08-27
_[22] 웹사이트 Astrophysical contributions of the International Ultraviolet Explorer, 1989, ARA&A, 27, 397 http://adsabs.harvar[...]
_[23] 논문 International Ultraviolet Explorer observations of Venus SO2 and SO 1990
_[24] 논문 SO2 on Venus: IUE, HST and ground-based measurements, and the active volcanism connection 1993
_[25] 서적 Exploration of Halley's Comet
_[26] 논문 An Archive of IUE Low-Dispersion Spectra of the White Dwarf Stars 2003
_[27] 논문 Mass Loss and the Evolution of Massive Stars 2008
_[28] 논문 The stellar winds of 203 Galactic O stars – A quantitative ultraviolet survey 1989
_[29] 논문 Mass loss rates from O stars in OB associations 1981
_[30] 논문 Ultraviolet observations of SN 1987A 1987
_[31] 논문 The progenitor of SN1987A 1987
_[32] 논문 Narrow ultraviolet emission lines from SN 1987A – Evidence for CNO processing in the progenitor 1989
_[33] 논문 Observational evidence for a hot gaseous Galactic corona 1979
_[34] 논문 Observations of highly ionized gas in the Galactic halo 1992
_[35] 논문 The relationship between infrared, optical, and ultraviolet extinction 1989
_[36] 문서 Howarth LMC
_[37] 논문 The typical interstellar extinction in the Small Magellanic Cloud 1984
_[38] 논문 Observations of NGC 4151 with IUE. III – Variability of the strong emission lines from 1978 February to 1980 May 1984
_[39] 간행물 An Ultraviolet Eye on the Sky https://books.google[...] Reed Business Information 2011-08-28
_[40] 웹사이트 Experiment: Ultraviolet Spectrograph Package https://nssdc.gsfc.n[...] NASA 2021-11-22
_[41] 웹사이트 Experiment: Particle Flux Monitor (Spacecraft) https://nssdc.gsfc.n[...] NASA 2021-11-22
_[42] 웹사이트 INES Project Documentation http://sdc.laeff.int[...] 2011-09-04
_[43] 웹사이트 Live Real Time Satellite Tracking And Predictions: IUE http://www.n2yo.com/[...] 2019-05-17
_[44] 웹사이트 ESA Science & Technology: Archive http://sci.esa.int/s[...] 2012-09-21
_[45] 간행물 IUE Regional Data Analysis Facilities: Bulletin No. 1 http://archive.stsci[...] 2012-12-15
_[46] 간행물 Direct Access to the IUE Spectral Archive http://archive.stsci[...] 2012-12-11
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_[48] 웹사이트 Mast Iue http://archive.stsci[...] 2012-12-15
_[49] 웹사이트 HST Publication Statistics http://archive.stsci[...] 2019-05-14

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