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다윈 (우주선)

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목차

1. 개요

다윈 프로젝트는 유럽 우주국(ESA)이 계획했던 외계 행성 탐사 우주선이다. 적외선 영역에서 작동하며, 널링 간섭계를 사용하여 별의 빛을 상쇄하고 행성의 빛을 감지하는 방식으로 외계 행성을 탐색할 예정이었다. 다윈 우주선은 외계 행성의 대기 성분을 분석하여 생명체의 존재 가능성을 탐구하는 것을 목표로 했다. 최신 설계에서는 편대 비행하는 우주 망원경 여러 대와 모선 1대를 하나의 간섭계로 구성할 계획이었다. NASA의 TPF 프로젝트와 유사한 목표를 가졌지만, 예산 문제로 무기한 연기되었다.

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다윈 (우주선)
개요
임무 유형간섭 측정 관측소
운영자ESA
웹사이트Darwin
발사
발사 날짜계획됨
발사 로켓소유스-2/프레갓
발사 장소쿠루 ELS
발사 계약자아리안스페이스
궤도
궤도 기준점계획됨
궤도 참조점태양-지구 L2
궤도 방식헤일로 궤도
원지점원지점

2. 다윈 프로젝트의 개념

다윈 프로젝트는 외계 행성, 특히 지구형 행성을 탐사하고 그곳에 생명체가 존재하는지 확인하는 것을 목표로 구상된 유럽 우주국(ESA)의 우주 임무였다. 이 프로젝트는 여러 대의 우주 망원경을 편대 비행시켜 하나의 거대한 간섭계처럼 작동시키는 혁신적인 개념에 기반했다. 망원경들은 주로 적외선 영역에서 관측을 수행하여, 중심별의 강한 빛을 효과적으로 차단하고 상대적으로 어두운 행성을 찾아내도록 설계되었다. 이를 위해 널링 간섭계 기술을 사용할 예정이었다.

초기 설계("로빈 로렌스 설정")에서는 구경 1.5m 크기의 우주 망원경 6기와 빔 결합기 우주선, 전원/통신용 우주선 등 총 8기로 구성되었다. 이후 검토된 설계에서는 구경 3~4미터 크기의 망원경 3기와 이들의 빛을 모으고 분석하는 모선 1기로 구성이 변경되었다.[10] 이러한 망원경들은 외계 행성의 대기를 분석하여 산소, 수증기, 오존과 같은 생체지표를 탐색함으로써 생명체 존재 가능성을 판단하고자 했다.[1] 효과적인 적외선 관측을 위해 망원경의 광학 부품을 40 K까지 냉각하는 것이 필수적이었다.[1][10]

하지만 여러 우주선을 정밀하게 제어하여 간섭계를 구성하는 것은 기술적으로 매우 어려운 과제였다. 각 우주 망원경 간의 거리를 수 마이크로미터 이내로 유지하면서 빛의 경로를 약 1 나노미터 수준으로 제어해야 했기 때문이다.[14][10] 이러한 기술적 어려움 등으로 인해 다윈 프로젝트에 대한 검토는 2007년에 공식적으로 종료되었으며[12], 이후 별도의 계획은 진행되지 않았다.[13]

2. 1. 작동 원리

우주 망원경은 적외선 영역에서 관측을 수행하도록 계획되었다. 이는 외계 행성 연구뿐만 아니라, 일반적인 천체 관측에도 유용하여 매우 높은 해상도(밀리초각 단위)의 적외선 이미지를 생성함으로써 다양한 천체 물리학적 과정을 상세하게 연구할 수 있을 것으로 기대되었다.

적외선 영역이 선택된 주된 이유는 가시광선 영역에서 지구형 행성은 중심 별에 비해 약 10억 배나 어둡지만, 적외선 영역에서는 이 밝기 차이가 훨씬 줄어들기 때문이다.[4][15] 이를 통해 별빛에 가려진 어두운 행성을 상대적으로 쉽게 관측할 수 있다. 유럽 우주국(ESA)의 2000년 보고서에 따르면, 효과적인 적외선 관측을 위해서는 우주선에 탑재된 광학 기기들이 약 40,000까지 수동적으로 냉각되어야 한다.[1][10]

행성 탐색에는 널링 간섭계 기술이 핵심적으로 사용될 예정이었다. 이 방식은 여러 대의 우주 망원경(초기 설계에서는 6기, 후기 설계에서는 3기)이 편대 비행하며 모은 빛을 간섭시키는 원리다. 각 망원경에서 오는 빛의 위상을 정밀하게 조절하여, 중심 별에서 오는 강한 빛은 상쇄 간섭을 통해 서로 상쇄시킨다. 반면, 별 옆을 공전하는 행성에서 오는 빛은 약간의 위치 차이로 인해 상쇄되지 않고 검출될 수 있다. 이를 통해 별의 밝은 빛 속에서도 어두운 행성을 찾아낼 수 있다.

행성 탐지를 위해 망원경은 이미징 모드로 작동한다. 지구형 행성을 감지하는 데는 총 10시간 정도의 관측 시간이 필요하며, 이는 몇 달에 걸쳐 분산되어 이루어질 것으로 예상되었다. 구경 1.5m 크기의 망원경을 사용하는 2002년 설계 기준으로는, 발견된 행성의 스펙트럼을 얻어 대기 성분을 분석하는 데 약 100시간의 추가 관측 시간이 필요할 것으로 예측되었다.[5][16]

만약 다윈 우주선이 생명체 존재 가능성이 있는 행성을 발견한다면, 그 행성의 대기에 대한 상세한 연구가 적외선 스펙트럼 분석을 통해 이루어질 예정이었다. 이 스펙트럼을 분석하여 대기의 화학 조성을 파악함으로써, 외계 생명의 존재 증거를 찾을 수 있다. 특히 대기 중의 산소(O2)와 수증기(H2O)의 존재는 중요한 단서로 여겨졌다. 산소는 반응성이 매우 높은 기체이기 때문에, 만약 행성의 대기에 많은 양의 산소가 존재한다면 광합성과 같이 지속적으로 산소를 생성하는 과정이 있어야만 설명될 수 있기 때문이다.

그러나 산소의 존재만으로는 생명체의 결정적인 증거가 되지는 않는다. 예를 들어, 목성의 위성인 유로파의 희박한 산소 대기는 생명 활동과 무관하게 물 분자(H2O)가 방사선 분해되어 생성된 것으로 생각된다. 또한 수치 해석 연구에 따르면, 적절한 조건 하에서는 물 분자나 이산화 탄소(CO2)의 광분해만으로도 산소 대기가 형성될 수 있다. 물과 이산화탄소의 광분해는 각각 수산화물 이온(OH−)과 원자 산소를 생성하고, 이들이 반응하여 소량의 산소(O2)를 만들며 수소는 우주로 날아간다. 하지만 이렇게 고도가 높은 곳에서 광분해로 생성된 산소(O2)는 수소 이온(H+), 수산화물 이온(OH−) 등과 쉽게 반응하여 오존(O3)이 축적되는 것을 방해한다.

따라서 대기 중에 상당한 양의 오존(O3)이 존재하기 위해서는, 생물학적 광합성처럼 낮은 고도에서 산소(O2)가 생성되고, 소량의 수증기(H2O)만이 자외선이 강한 높은 고도에 도달해야 한다. 결과적으로, 지구형 행성의 대기에서 오존(O3), 수증기(H2O), 이산화 탄소(CO2)가 동시에 발견된다면, 이는 생명체가 존재한다는 매우 신뢰성 높은 증거로 간주될 수 있으며, 다윈 우주선은 이러한 대기 성분들을 탐지할 수 있도록 설계되었다.[1][10]

이러한 정밀한 널링 간섭계를 구현하기 위해서는 여러 우주선이 서로 수 마이크로미터 이내의 거리를 유지하면서, 각 망원경이 수신하는 빛의 경로를 약 1 나노미터 수준의 정밀도로 제어해야 하는 매우 높은 기술적 난이도가 요구되었다.[14][10]

2. 2. 적외선 관측

다윈 우주 망원경은 적외선 영역에서 관측을 수행할 예정이었다.[4] 이는 외계 행성 연구뿐만 아니라, 일반적인 천체 이미징에도 유용하여 매우 높은 해상도(밀리초각 단위)의 적외선 이미지를 생성하고 다양한 천체물리학적 과정을 상세히 연구하는 데 기여할 수 있었다.

적외선 영역이 선택된 주된 이유는 가시광선 영역에서는 지구형 행성이 모항성보다 약 10억 배나 어둡지만[4][15], 적외선 영역에서는 그 밝기 차이가 훨씬 줄어들기 때문이다. 유럽 우주국(ESA)의 2000년 보고서에 따르면, 성공적인 적외선 관측을 위해서는 우주선에 탑재된 모든 광학 부품을 40 K(약 -233°C)까지 수동적으로 냉각해야 했다.[1][10]

행성 탐색에는 널링 간섭계 방식이 사용될 예정이었다. 이 방식은 여러 망원경에서 들어온 빛의 위상을 조절하여 중심 별에서 오는 빛은 간섭 효과로 상쇄시키고, 별 옆에 위치한 행성에서 오는 빛은 상쇄되지 않도록 하는 원리이다. 이를 통해 별의 강한 빛 속에서도 상대적으로 어두운 행성을 감지할 수 있게 된다. 초기 "로빈 로렌스 설정" 설계에서는 구경 1.5m의 우주 망원경 6기와 빔 결합기 우주선, 별도의 전원 및 통신용 우주선 등 총 8기로 구성되었다. 이후 검토된 설계에서는 구경 3~4미터의 망원경(또는 집광기)을 탑재한 자선 3기와, 빔 결합기, 분광기, 통신 허브 역할을 하는 모선 1기로 구성된 편대 비행 간섭계가 제안되었다.

행성 탐지를 위해서는 망원경이 이미징 모드로 작동하며, 지구형 행성 하나를 감지하는 데에는 수개월에 걸쳐 총 10시간 정도의 관측 시간이 필요할 것으로 예상되었다. 구경 1.5m 망원경을 사용하는 2002년 설계안 기준으로는, 감지된 행성이 지구형 행성일 가능성이 있을 경우 그 스펙트럼을 얻기 위해 약 100시간의 추가 관측이 필요할 것으로 추정되었다.[5][16]

만약 다윈 우주선이 생명체 거주에 적합할 가능성이 있는 행성을 발견한다면, 해당 행성의 대기 조성을 알아내기 위해 적외선 스펙트럼 분석을 수행할 계획이었다. 스펙트럼 분석을 통해 대기의 화학 성분을 파악하면 외계 생명체 존재의 단서를 찾을 수 있다. 특히 대기 중의 산소(O2)와 수증기(H2O)의 동시 존재는 생명 활동의 강력한 증거로 간주된다. 산소는 반응성이 매우 높아, 대기 중에 많은 양이 존재하려면 광합성과 같이 지속적으로 산소를 공급하는 과정이 필요하기 때문이다.

하지만 산소의 존재만으로는 생명체의 결정적인 증거가 되기 어렵다. 예를 들어, 목성의 위성인 유로파의 희박한 산소 대기는 생명 활동과 무관하게 물 분자가 방사선 분해되면서 생성된 것으로 여겨진다.[10] 또한, 특정 조건 하에서는 물(H2O)이나 이산화탄소(CO2)의 광분해를 통해서도 산소가 생성될 수 있다는 수치 해석 결과도 있다. 물과 이산화탄소의 광분해는 각각 수산기 이온(OH−)과 원자 산소(O)를 생성하고, 이들이 반응하여 소량의 산소(O2)를 만들 수 있다. 그러나 높은 고도에서 물의 광분해로 산소가 생성될 경우, 수소 이온(H+), 수산기 이온(OH−), 물(H2O)과 같은 수소 화합물도 함께 생성되어 오존(O3)을 효과적으로 파괴하므로 오존 농도가 높아지기 어렵다. 따라서 대기 중에 상당한 양의 오존이 존재하려면, 생물학적 광합성과 같이 낮은 고도에서 산소가 생성되고, 동시에 소량의 수증기가 자외선(UV)이 존재하는 높은 고도까지 도달하는 과정이 필요하다.

결론적으로, 지구형 행성의 대기에서 오존(O3), 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2)가 동시에 관측된다면 이는 생명체 존재의 신뢰도 높은 증거로 여겨지며, 다윈 우주선은 이러한 대기 성분들을 탐지할 능력을 갖추도록 설계되었다.[1][10]

그러나 다윈 계획에 대한 검토는 2007년에 종료되었으며[12], 이후 추가적인 활동은 계획되지 않았다.[13] 만약 계획이 계속 진행되었다 하더라도, 여러 우주 망원경이 편대 비행하며 이미지를 생성하기 위해서는 각 망원경 간의 거리를 수 마이크로미터 오차 내에서 유지하면서, 수신되는 빛의 경로 길이를 약 1나노미터 정밀도로 제어해야 하는 극도로 높은 기술적 난제가 존재했다.[14][10]

2. 3. 냉각

우주 망원경은 적외선 영역에서 관측을 수행할 예정이었다. 가시광선 영역에서는 지구형 행성이 모항성보다 약 10억 배 어둡지만,[4][15] 적외선 영역에서는 이 밝기 차이가 훨씬 줄어들기 때문에 이 영역이 선택되었다.

2000년 유럽 우주국(ESA)의 보고서에 따르면, 이러한 적외선 관측을 가능하게 하기 위해서는 우주선에 탑재된 광학 기기 구성 요소들을 수동 냉각 방식으로 40 K(약 -233°C)까지 냉각해야 했다.[1][10]

3. 기술적 특징

다윈 탐사선은 여러 대의 우주 망원경을 편대 비행시켜 하나의 거대한 간섭계로 운용하는 방식을 기반으로 설계되었다. 주요 관측은 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 이루어질 예정이었는데, 이는 가시광선에 비해 중심별과 행성 간의 밝기 차이가 적어 행성 관측에 더 유리하기 때문이다[15]. 적외선 관측을 위해 탐사선의 광학 기기는 우주 공간의 환경을 이용해 약 40 켈빈(약 -233°C)까지 냉각될 필요가 있었다[10].

행성 탐지를 위해서는 널 간섭계(Nulling Interferometer) 기술의 사용이 핵심적이었다. 이 기술은 여러 망원경에서 오는 빛의 위상을 조절하여 중심별의 강한 빛은 상쇄시키고, 행성에서 오는 약한 빛만을 분리하여 검출하는 원리이다. 다윈 탐사선의 주요 목표 중 하나는 이렇게 발견된 외계 행성, 특히 지구형 행성의 대기를 분광 분석하여 산소, 수증기, 오존과 같이 외계 생명의 존재 가능성을 나타내는 지표를 찾는 것이었다[10].

이러한 목표를 달성하기 위해서는 각 우주 망원경 간의 상대 위치를 마이크로미터 수준으로 정밀하게 유지하고, 수신되는 빛의 위상을 나노미터 수준으로 제어하는 등 매우 높은 기술적 정밀도가 요구되었다[14]. 이러한 기술적 과제와 더불어 여러 요인으로 인해 다윈 계획은 2007년에 "검토 종료"(Study ended)로 처리되었으며[12], 이후 추가적인 활동은 계획되지 않았다[13][10].

3. 1. 초기 설계

"로빈 로렌스 설정"이라고 불리는 초기 설계에서는 구경 1.5m의 우주 망원경 6기, 빔 결합기 우주선 1기, 그리고 전원 공급과 통신을 별도로 담당하는 우주선 1기를 포함하여 총 8기의 우주선으로 구성되었다. 이는 이후 수정된 최신 설계와 차이가 있는데, 최신 설계에서는 구경 3m에서 4m 크기의 우주 망원경(또는 집광기)을 탑재한 자선(子船) 3기와, 빔 결합기, 분광기, 배열 간섭계 및 통신 허브 기능을 갖춘 모선(母船) 1기를 하나의 거대한 간섭계로 운영하는 방안이 고안되었다. 자선은 멀리 떨어진 행성이나 별에서 오는 빛을 받아 모선으로 보내는 역할을 담당한다.

그러나 다윈 계획은 2007년에 "검토 종료"(Study ended)로 처리되었으며[12], 이후 추가적인 활동은 계획되지 않았다[13]. 만약 계획이 계속 진행되었다 하더라도, 이미지 생성을 위해서는 각 우주 망원경이 서로 수 마이크로미터 내의 거리를 유지하면서 약 1 나노미터 이내의 정밀도로 수신 제어를 해야 하는 기술적 과제가 있었다[14]. 이러한 수준의 정밀도가 기술적으로 실현 가능한지에 대해서는 더 많은 검토가 필요했을 것으로 보인다[10].

다윈 탐사선의 관측은 전자기 스펙트럼의 적외선 영역을 이용하여 수행될 예정이었다. 이는 태양계 외 행성 연구에서 밀리초 단위의 초고분해능 적외선 이미지를 생성하여 천체 물리학의 다양한 세부 연구를 가능하게 할 것으로 기대되었다. 적외선 영역이 선택된 주된 이유는, 지구형 행성이 가시광선 영역에서는 중심별보다 약 10억 배 어둡게 보이지만[15], 적외선 영역에서는 그 밝기 차이가 훨씬 작아지기 때문이다. 2000년 유럽 우주국(ESA)의 보고에 따르면, 적외선 관측을 위해 우주선에 탑재된 광학 기기는 우주 공간의 극저온 환경을 이용하여 약 40 켈빈 (약 -233°C)까지 수동적으로 냉각될 예정이었다[10].

행성 탐색에는 널 간섭계(nulling interferometer) 방식이 사용될 예정이었다. 이 방식은 여러 망원경에서 들어오는 빛의 위상을 조절하여 중심별에서 오는 강한 빛은 서로 간섭시켜 상쇄하고, 별 주위를 공전하는 행성에서 오는 빛은 약간의 위치 차이로 인해 상쇄되지 않도록 하는 원리이다. 이 원리를 이용하면 별의 강한 빛에 가려진 어두운 행성도 검출할 수 있게 된다.

지구형 행성을 검출하기 위해서는 이미징 모드로 수개월에 걸쳐 총 10시간 정도의 관측이 필요할 것으로 예상되었다. 2002년 설계된 구경 1.5m 망원경 기준으로, 검출된 지구형 행성의 스펙트럼을 얻기 위해서는 약 100시간의 추가 관측 시간이 필요할 것으로 추정되었다[16].

만약 다윈 탐사선이 생명 활동에 적합한 행성을 발견했다면, 적외선 스펙트럼 분석을 통해 대기의 상세한 조성을 연구할 수 있었을 것으로 기대되었다. 대기 조성을 분석하여 외계 생명체의 존재 증거를 찾을 수 있을 것으로 기대되었는데, 특히 산소(O2)와 수증기(H2O)의 존재 유무가 중요한 지표로 여겨졌다. 산소는 반응성이 매우 높아, 대기 중에 고농도로 존재하기 위해서는 광합성과 같이 지속적으로 산소를 생성하는 과정이 필요하기 때문에, 대기 중의 산소와 수증기의 존재는 외계 생명체의 증거로 간주될 수 있다.

하지만 산소만의 존재가 곧 생명의 증거가 되는 것은 아니다. 예를 들어 목성의 위성인 유로파의 희박한 대기에는 물 분자의 방사선 분해로 생성된 산소가 존재한다. 또한, 수치 시뮬레이션 결과, 특정 조건 하에서는 이산화 탄소(CO2)의 광분해를 통해서도 산소를 생성하는 것이 가능한 것으로 나타났다. 물(H2O)이나 이산화 탄소의 광분해는 각각 수산화물 이온(OH-)과 원자 상태의 산소를 생성하고, 이후 수소(H)가 우주 공간으로 방출되면서 저농도의 산소를 남길 수 있다.

물(H2O)의 광분해가 고고도에서 일어나 산소(O2)를 생성하고, 이것이 오존(O3)과 반응하면 오존이 축적되는 대신 수소 이온(H+), 수산화물 이온(OH-), 물(H2O)과 같은 수소 화합물이 생성될 수 있다. 따라서 대기 중에 높은 농도의 오존(O3)이 존재하면서 동시에 산소가 풍부하게 유지되려면, 저고도에서 생물학적 광합성과 같은 반응이 활발히 일어나야만 가능하며, 이는 또한 다량의 수증기가 자외선이 강한 고고도까지 도달하는 것을 막는 효과도 있다.

결론적으로, 대기 중에 오존(O3), 물(H2O), 그리고 이산화 탄소(CO2)가 동시에 존재하는 것이 지구형 행성에서 생명의 흔적을 나타내는 신뢰성이 높은 지표로 여겨졌으며, 다윈 탐사선은 이러한 대기 성분들을 검출할 수 있도록 설계되었다[10].

3. 2. 최종 설계

최신 설계안에 따르면, 다윈 계획은 구경 3m에서 4m 크기의 우주 망원경(또는 집광기)을 탑재한 자선 3기와, 이들 자선과 함께 하나의 거대한 간섭계를 구성할 모선 1기로 이루어진다. 자선은 멀리 떨어진 행성이나 별에서 오는 빛을 받아 모선으로 보내는 역할을 하며, 모선에는 빔 결합기, 분광기, 배열 간섭계 및 통신 허브 기능이 탑재될 예정이었다. "로빈 로렌스 설정"이라 불렸던 초기 설계에서는 구경 1.5m의 우주 망원경 6기, 빔 결합기 우주선, 그리고 전원 공급 및 통신을 담당하는 별도의 우주선까지 총 8기로 구성되었다.

그러나 이 계획은 2007년에 "검토 종료"(Study ended)로 결정되었으며[12], 이후 추가적인 활동은 계획되지 않았다[13]. 만약 계획이 계속 진행되었다면, 이미지 생성을 위해 각 우주 망원경은 서로 수 마이크로미터 이내의 거리를 유지하면서 약 1나노미터 수준의 정밀도로 수신 제어를 해야 했을 것이다[14]. 이러한 수준의 정밀도가 기술적으로 실현 가능한지에 대해서는 더 많은 검토가 필요했을 것으로 여겨진다[10].

다윈의 관측은 전자기 스펙트럼의 적외선 영역을 이용하도록 설계되었다. 적외선 영역이 선택된 주된 이유는, 지구형 행성이 가시광선 영역에서는 중심별보다 10억 배 이상 어둡게 보이지만[15], 적외선 영역에서는 그 밝기 차이가 훨씬 줄어들기 때문이다. 이를 통해 태양계 외 행성 연구에서 밀리초 단위의 초고분해능 적외선 이미지를 생성하여 천체 물리학의 다양한 세부 연구를 가능하게 할 것으로 기대되었다. 2000년 유럽 우주국(ESA)의 보고에 따르면, 적외선 관측을 위해 우주선에 탑재된 광학 기기는 우주 공간의 극저온 환경을 이용하여 약 40,000(약 -233°C)까지 수동적으로 냉각될 예정이었다[10].

행성 자체를 조사하기 위해서는 널 간섭계(Nulling Interferometer) 기술의 사용이 고려되었다. 이 기술은 여러 망원경에서 들어온 빛의 위상을 조절하여 중심별에서 오는 강한 빛은 서로 간섭시켜 상쇄하고, 별 주위를 공전하는 행성에서 오는 약간 어긋난 빛은 상쇄되지 않도록 하는 원리이다. 이를 통해 별보다 훨씬 어두운 행성을 검출할 수 있게 된다.

행성 탐지를 위해 우주 망원경은 이미징 모드로 운용될 계획이었다. 지구형 행성을 발견하는 데에는 수개월에 걸쳐 총 10시간 정도의 관측 시간이 필요할 것으로 예상되었다. 2002년 설계 기준(구경 1.5m 망원경)으로는, 발견된 지구형 행성의 스펙트럼을 얻어 대기 성분을 분석하기 위해 약 100시간의 추가 관측 시간이 필요할 것으로 추정되었다[16].

만약 다윈 탐사선이 생명 활동에 적합한 환경을 가진 행성을 발견했다면, 적외선 스펙트럼 분석을 통해 그 행성의 대기 구성 성분을 자세히 연구할 수 있었을 것이다. 대기 중에 특정 기체의 존재 여부는 외계 생명체의 존재 가능성을 시사할 수 있다. 예를 들어, 산소(O2)는 반응성이 매우 높은 기체이기 때문에, 대기 중에 고농도로 존재한다면 광합성과 같이 지속적으로 산소를 생성하는 과정이 필요할 수 있다. 따라서 대기 중의 산소와 수증기(H2O)의 존재는 외계 생명체의 간접적인 증거가 될 수 있다.

하지만 산소 자체만으로는 생명체의 확실한 증거가 되기 어렵다. 목성의 위성인 유로파처럼 물 분자(H2O)의 방사선 분해를 통해 희박하지만 산소가 생성될 수도 있으며, 특정 조건 하에서는 이산화 탄소(CO2)의 광분해를 통해서도 산소가 만들어질 수 있다는 수치 시뮬레이션 결과도 있다. 고고도에서 물(H2O)이 광분해되어 산소(O2)가 생성되더라도, 이 산소가 오존(O3)과 효율적으로 반응하면 오존이 축적되지 않고 오히려 수소 이온(H+), 수산화물 이온(OH-), 물(H2O) 같은 수소 화합물이 생성될 수 있다. 따라서 대기 중에 높은 농도의 오존(O3)이 존재하면서 동시에 산소가 풍부하려면, 저고도에서 생물학적 과정(예: 광합성)을 통해 산소가 지속적으로 공급되고, 동시에 소량의 물(수증기)만이 자외선이 강한 고고도에 도달해야 한다.

결론적으로, 대기 중에 오존(O3), 물(H2O), 그리고 이산화 탄소(CO2)가 동시에 존재하는 것을 확인하는 것이 지구형 행성에서 생명의 흔적을 찾는 데 있어 신뢰성 높은 지표로 여겨졌으며, 다윈 탐사선은 이러한 대기 성분들을 검출할 능력을 갖추도록 설계될 예정이었다[10].

3. 3. 정밀 제어

다윈 계획에서 우주 망원경들은 편대를 이루어 하나의 거대한 간섭계처럼 작동하도록 설계되었다. 성공적인 이미지 생성을 위해서는 각 우주 망원경이 서로 수 마이크로미터 이내의 거리를 정밀하게 유지해야 했다. 더 나아가, 망원경으로 수신되는 빛의 위상을 약 1 나노미터 이내의 정밀도로 제어해야 했다.[14] 이는 극도로 높은 수준의 기술적 정밀도를 요구하는 것으로, 계획 당시 이러한 정밀 제어가 기술적으로 실현 가능한지에 대해서는 추가적인 검토가 필요한 부분으로 여겨졌다.[10] 다윈 계획은 2007년에 "검토 종료"(Study ended)로 처리되었으며[12], 이후 추가적인 활동은 계획되지 않았다.[13]

4. 생명체 탐색

다윈 우주선은 외계 행성의 대기를 분석하여 외계 생명체의 존재 가능성을 탐색하는 것을 주요 목표 중 하나로 삼았다. 이를 위해 우주 망원경은 적외선 영역에서 관측을 수행할 예정이었다. 가시광선 영역에서는 지구형 행성이 모항성보다 약 10억 배나 어둡지만, 적외선 영역에서는 그 밝기 차이가 훨씬 줄어들어 관측이 용이하기 때문이다.[4][15] 효율적인 적외선 관측을 위해 광학 경로의 모든 구성 요소는 약 40,000까지 수동적으로 냉각되어야 했다.[1][10]

행성 탐색에는 널링 간섭계 기술이 사용될 예정이었다. 이 방식은 여러 우주선에서 오는 빛의 위상을 조절하여 중심 별에서 오는 밝은 빛은 간섭을 통해 상쇄시키고, 별 옆에 있는 행성에서 오는 빛은 상쇄되지 않도록 하는 원리이다. 이를 통해 별의 강한 빛에 가려진 어두운 행성을 효과적으로 검출할 수 있다.[1]

일단 행성이 감지되면, 다윈 우주선은 이미징 모드로 전환하여 행성을 관측한다. 지구형 행성을 감지하는 데에는 총 10시간 정도의 관측 시간이 필요할 것으로 예상되었으며, 이는 몇 달에 걸쳐 분산되어 이루어질 예정이었다. 행성의 대기 조성을 파악하기 위한 스펙트럼 분석에는 더 많은 시간이 소요될 것으로 예측되었다. 예를 들어, 2002년 설계 기준(구경 1.5미터 거울 사용)으로는 약 100시간의 관측이 필요할 것으로 예상되었다.[5][16]

다윈 우주선이 생명체 존재에 적합한 행성을 발견하면, 행성의 적외선 스펙트럼을 정밀하게 분석하여 대기 조성을 파악하고 생체 지표를 찾으려 했다. 특히 산소(O2), 수증기(H2O), 오존(O3), 이산화 탄소(CO2) 등의 동시 존재 여부를 확인하여 생명체의 증거를 탐색하도록 설계되었다.[1][10]

4. 1. 생체 지표

다윈 우주선이 생명 활동에 적합한 외계 행성을 발견했다면, 그 행성의 대기에 대한 상세한 연구는 행성의 적외선 스펙트럼을 측정하여 이루어졌을 것이다. 이 스펙트럼 분석을 통해 대기의 화학 조성을 결정할 수 있었으며, 이는 행성에 생명체가 존재한다는 증거를 제공할 가능성이 있었다. 특히 대기 중의 산소(O2)와 수증기(H2O)의 존재는 중요한 생체 지표로 간주되었다. 산소는 반응성이 매우 높은 원소이기 때문에, 만약 행성의 대기에 많은 양의 산소가 존재한다면 광합성과 같이 지속적으로 산소를 생성하는 과정이 있어야 한다고 여겨졌다.[1]

그러나 산소의 존재만으로는 생명체의 결정적인 증거가 되지는 않는다. 예를 들어, 목성의 위성 유로파는 희박한 산소 대기를 가지고 있는데, 이는 물 분자의 방사선 분해에 의해 생성되는 것으로 생각된다. 또한 수치 해석 연구에 따르면, 적절한 조건 하에서는 물(H2O)과 이산화 탄소(CO2)의 광분해를 통해서도 산소 대기가 형성될 수 있다. 이 과정에서 물과 이산화탄소는 각각 수산화물 이온(OH-)과 원자 산소(O)를 생성하고, 이후 수소(H)가 우주로 탈출하면서 소량의 산소(O2)가 만들어진다.

고고도에서 물(H2O)의 광분해로 산소(O2)가 생성될 경우, 수소 이온(H+), 수산화물 이온(OH-), 물(H2O)과 같은 수소 화합물도 함께 생성되어 오존(O3)을 매우 효율적으로 파괴하므로 오존이 축적되기 어렵다. 따라서 대기 중에 상당한 양의 오존(O3)이 존재하게 하는 유일하게 알려진 방법은, 생물학적 광합성과 같이 저고도에서 산소(O2)가 생성되고, 자외선(UV)이 존재하는 고고도에는 소량의 물(H2O)만이 도달하는 것이다.

결론적으로, 지구형 행성의 대기 중에 오존(O3), 물(H2O), 그리고 이산화 탄소(CO2)가 동시에 존재하는 것이 생명의 흔적을 나타내는 신뢰할 수 있는 생체 지표로 여겨졌으며, 다윈 우주선은 이러한 대기 성분을 감지할 수 있도록 설계되었다.[1][10]

4. 2. 산소 생성 메커니즘

만약 다윈 우주선이 생명체 존재에 적합한 외계 행성을 발견했다면, 그 행성 대기의 적외선 스펙트럼을 측정하여 상세한 연구를 진행할 계획이었다. 이 스펙트럼 분석을 통해 대기의 화학 조성을 파악하고, 이를 통해 행성에 외계 생명체가 존재하는지 여부를 추정할 수 있었다.

대기 중에 산소(O2)와 수증기(H2O)가 함께 존재하는 것은 생명체의 중요한 증거로 여겨졌다. 산소는 화학적으로 매우 반응성이 큰 원소이기 때문에, 만약 행성 대기에 많은 양의 산소가 꾸준히 존재한다면 광합성과 같이 지속적으로 산소를 만들어내는 과정이 있어야 한다고 보았다.[1]

그러나 단순히 산소가 존재한다는 사실만으로는 생명체의 결정적인 증거가 되기 어렵다. 예를 들어, 목성의 위성인 유로파의 희박한 산소 대기는 생명 활동이 아닌 물 분자의 방사선 분해 과정을 통해 생성되는 것으로 추정된다.[1] 수치 해석 연구에 따르면, 특정 조건 하에서는 광분해 과정을 통해서도 산소 대기가 형성될 수 있다. 물(H2O)과 이산화 탄소(CO2)가 자외선 등에 의해 광분해되면 각각 수산화물 이온(OH-)과 원자 상태의 산소(O)를 생성하고, 이 과정에서 수소(H)는 우주 공간으로 빠져나가면서 소량의 산소(O2)가 만들어질 수 있다.

하지만 높은 고도에서 물(H2O)의 광분해로 산소(O2)가 생성될 경우, 동시에 생성되는 수소 이온(H+), 수산화물 이온(OH-) 등 수소 화합물이 오존(O3)을 매우 효과적으로 파괴하기 때문에 오존이 대기 중에 쌓이기 어렵다. 현재까지 알려진 바로는, 대기 중에 상당한 양의 오존(O3)이 존재하려면, 생물학적 광합성과 같이 낮은 고도에서 산소(O2)가 생성되고, 동시에 소량의 물(H2O)만이 자외선이 존재하는 높은 고도까지 도달해야 한다. 따라서 지구형 외계 행성의 대기에서 오존(O3), 물(H2O), 그리고 이산화탄소(CO2)가 동시에 관측된다면 이는 외계 생명체가 존재한다는 상당히 신뢰성 높은 증거로 여겨지며, 다윈 우주선은 이러한 대기 성분들을 감지할 수 있도록 설계되었다.[1][10]

5. 탐사 후보 행성

2007년에 발견된 행성 글리제 581 d는 다윈 프로젝트의 유망한 후보 중 하나로 여겨졌다.[6][17] 이 행성은 항성 주위의 이론적인 생명 가능 구역 안을 공전하고 있어,[7] 과학자들은 이곳이 생명체가 살기에 적합한 환경일 것으로 추측했다.[17] 다만, 2014년에 발표된 연구에서는 글리제 581 d의 존재 자체에 의문을 제기하기도 했으나,[18][19][20] 2015년에는 다시 존재 가능성이 있다는 주장이 나왔다.[21]

6. 유사 프로젝트

NASA의 지구형 행성 탐색기(TPF) 임무는 간섭계를 사용하는 방식으로 다윈과 개념 및 과학적 목표가 매우 유사했다.[22] 그러나 NASA가 2006년 2월 6일에 공개한 2007년 예산 문서에 따라 이 프로젝트는 무기한 연기되었으며,[8][23] 2011년 6월에는 최종적으로 프로젝트가 취소된 것으로 보고되었다.[9][24]

앙투안 에밀 앙리 라베리는 하이퍼망원경(Hypertelescope)이라는 이름의 우주 기반 천문 간섭계 프로젝트를 제안했다. 이 프로젝트는 다윈과 유사한 측면이 있지만, 개별 망원경을 구형으로 배치하고 간섭 이미징에 중점을 둔다는 점에서 차이가 있다. 하이퍼망원경은 다윈이나 TPF 임무보다 훨씬 규모가 크고 많은 수의 대형 자유 비행 우주선을 포함하기 때문에, 더 복잡하고 예산도 훨씬 많이 소요될 것으로 예상된다.

참조

[1] 웹사이트 Darwin: study ended, no further activities planned http://www.esa.int/e[...] European Space Agency 2009-10-23
[2] 웹사이트 Darwin factsheet: Finding Earth-like planets http://www.esa.int/e[...] European Space Agency 2009-10-23
[3] 웹사이트 A concept for the 'Free-Flyer' version. http://ast.star.rl.a[...] Rutherford Appleton Laboratory 1999-07-27
[4] 웹사이트 ESA Bulletin 103: Darwin: The Infrared Space Interferometry Mission http://www.esa.int/e[...] ESA 2000-08
[5] 웹사이트 Darwin: The Infrared Space Interferometer http://ast.star.rl.a[...] Alcatel 2002-04
[6] 간행물 The Habitability of Super-Earths in Gliese 581
[7] 뉴스 Extrasolar planet may indeed be habitable https://www.scienced[...]
[8] 웹사이트 NASA budget statement http://www.planetary[...] Planetary Society 2006-07-17
[9] 웹사이트 NASA President's FY 2007 Budget Request http://www.nasa.gov/[...] 2008-11-14
[10] 웹사이트 Darwin: study ended, no further activities planned http://www.esa.int/e[...] European Space Agency 2009-10-23
[11] 웹사이트 宇宙開発技術は、山積する地球上の問題を解決する https://wired.jp/201[...]
[12] 웹사이트 Darwin factsheet: Finding Earth-like planets http://www.esa.int/e[...] European Space Agency 2009-10-23
[13] 웹사이트 Darwin overview http://www.esa.int/e[...] ESA
[14] 웹사이트 A concept for the `Free-Flyer' version. http://ast.star.rl.a[...] Rutherford Appleton Laboratory 1999-07-27
[15] 웹사이트 ESA Bulletin 103: Darwin: The Infrared Space Interferometry Mission http://www.esa.int/e[...] ESA 2000-08
[16] 웹사이트 Darwin: The Infrared Space Interferometer http://ast.star.rl.a[...] Alcatel 2002-04
[17] 뉴스 Extrasolar planet may indeed be habitable http://www.scienceda[...]
[18] 간행물 Stellar activity masquerading as planets in the habitable zone of the M dwarf Gliese 581 http://www.sciencema[...] 2014-07-03
[19] 뉴스 Earthlike Planets May Be Merely an Illusion https://www.nytimes.[...] 2014-07-07
[20] 뉴스 New doubt cast on 2 of the most Earth-like planets ever found http://www.cbc.ca/ne[...]
[21] 뉴스 Reanalysis of data suggests ‘habitable’ planet GJ 581d really could exist http://astronomynow.[...] 2015-03-09
[22] 간행물 The Habitability of Super-Earths in Gliese 581
[23] 웹사이트 NASA budget statement http://www.planetary[...] Planetary Society 2006-02-06
[24] 문서 NASA President's FY 2007 Budget Request http://www.nasa.gov/[...]
[25] 웹인용 ESA Bulletin 103: Darwin: The Infrared Space Interferometry Mission http://www.esa.int/e[...] ESA 2000-08
[26] 웹인용 Darwin factsheet: Finding Earth-like planets http://www.esa.int/e[...] European Space Agency 2009-10-23


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