레이더 천문학
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1. 개요
레이더 천문학은 전파를 이용하여 천체를 관측하는 기술이다. 레이더 천문학은 전파의 특성을 제어하여 정보를 선택적으로 얻을 수 있고, 높은 공간 분해능과 정밀한 거리 및 속도 측정이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 탐지 거리가 태양계 내로 제한되고, 목표 천체의 반사율이 낮다는 단점도 존재한다. 레이더 천문학은 달 관측을 시작으로 금성, 태양, 수성, 화성, 목성, 토성 등 다양한 천체의 연구에 활용되었으며, 소행성과 혜성의 모양, 크기, 자전 상태 연구에도 기여했다. 주요 관측 시설로는 아레시보 천문대와 골드스톤 심우주 통신 단지 등이 있다.
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| 레이더 천문학 | |
|---|---|
| 레이더 천문학 개요 | |
| 유형 | 천문학의 한 분야 |
| 방법 | 전파천문학 |
| 사용 | 근거리 천체의 특성 연구 우주선 위치 추적 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 레이더 천문학은 지구의 강력한 전파 송신기로부터의 마이크로파를 천체에 보내고, 그 물체에서 반사되어 오는 전파를 검출하여 연구하는 천문학의 한 분야이다. |
| 역사 | 레이더 천문학은 제2차 세계 대전 이후에 발전했다. |
| 초기 연구 대상 | 달, 행성, 소행성, 혜성 등이 초기 연구 대상이었다. |
| 레이더의 역할 | 레이더는 목표물의 크기, 회전 특성 및 금속 및 암석 농도를 결정하는 데 사용된다. |
| 전파 망원경 | 전파 천문학에 사용되는 전파 망원경과 송신기가 필요하다. |
| 행성 연구 | 레이더는 행성의 표면 아래를 투시하고 수성의 유황이 있는지 확인하는 데 사용되었다. |
| 아레시보 천문대 | 아레시보 천문대는 세계에서 가장 강력한 레이더 천문학 도구 중 하나였다. 하지만 2020년 12월에 붕괴되었다. |
| 기타 활용 | 레이더 천문학은 행성 간 항행을 위한 탐색 도구로도 사용된다. |
| 원리 | 레이더 천문학은 전파 반사의 원리를 이용한다. |
| 장점 | 다른 천문학적 방법으로는 얻기 힘든 정보를 제공할 수 있다. |
| 단점 | 멀리 떨어진 천체에는 사용하기 어렵다. |
| 관련 연구 | 태양계 내 천체 연구, 우주 탐사 등에 활용된다. |
| 주요 연구 기관 | NASA JPL 과거 아레시보 천문대 |
2. 장점
레이더 천문학은 다음과 같은 장점을 가진다.
- 신호의 파형, 주파수 변조, 편광과 같은 속성을 제어할 수 있다.
- 천체의 공간 분해능이 높다.
- 지연-도플러 측정을 통해 천체의 거리와 속도를 정밀하게 측정할 수 있다.
- 두꺼운 구름으로 덮여 광학적으로 불투명한 금성과 같은 천체를 관측할 수 있다.
- 금속이나 얼음 성분에 대한 민감도가 높다.
3. 단점
레이더 천문학의 최대 탐지 거리는 매우 제한적이며, 태양계 내로 한정된다. 이는 신호 강도가 목표까지의 거리에 따라 급격히 감소(거리의 네 제곱에 반비례)하고, 목표가 반사하는 입사 플럭스의 비율이 적으며, 송신기의 출력이 제한적이기 때문이다.[6] 레이더가 물체를 감지할 수 있는 거리는 반사 신호 강도가 거리의 네 제곱에 반비례하기 때문에 물체의 크기의 제곱근에 비례한다. 레이더는 태양으로부터 1 AU 떨어진 곳에서 약 1km 크기의 물체를 감지할 수 있지만, 토성까지의 거리인 8-10 AU에서는 최소 수백 킬로미터 너비의 목표물이 필요하다. 또한 관측 전에 목표물에 대한 비교적 정확한 천문력이 필요하다.
4. 역사
1946년 레이더 기술이 발명된 직후 달이 탐지되었고,[7][8] 금성은 천문 단위 크기 측정에 기여하여 과학적 가치가 높았다. 초기 연구는 데이터 처리 과정에서 오류가 발생하기도 했지만, 1961년 제트 추진 연구소(JPL)에서 금성을 명확하게 탐지하는 데 성공했다.[10][11] 1959년부터는 태양도 레이더로 관측되었다.[12]
이후 수성, 화성, 목성 시스템, 토성 시스템 등 다양한 행성체가 레이더 관측 대상이 되었다. 특히, 지구는 셔틀 레이더 지형 임무 등을 통해 상세한 지도가 작성되었다.
4. 1. 초기 연구 (달, 금성)
달은 비교적 가까워 1946년 레이더 기술이 발명된 직후 탐지되었다.[7][8] 달 표면의 거칠기를 측정하고, 이후 극지방 근처의 그림자가 드리워진 지역을 지도화하는 작업이 이루어졌다.금성은 천문 단위(AU)의 크기를 측정할 수 있는 방법을 제공했기 때문에 과학적으로 매우 가치 있는 대상이었다. 당시 천문 단위는 행성 간 우주선 운행에 필요한 정밀한 거리 측정을 위해 필요했다. 또한, 이러한 기술적 성과는 대외 홍보와 자금 지원 기관에 좋은 시연 자료가 되었다.
초기에는 약하고 잡음이 많은 데이터에서 과학적 결과를 도출해야 한다는 압박이 있었고, 예상 값을 사용하여 결과를 과도하게 후처리하는 경향이 있었다. 이 때문에 링컨 연구소, 조드렐 뱅크, 소련의 블라디미르 A. 코텔니코프의 초기 연구 결과는 현재 잘못된 것으로 알려져 있다.[9]
1961년 3월 10일, 제트 추진 연구소(JPL)에서 금성을 처음으로 명확하게 탐지하였다.[10][11] JPL은 1961년 3월 10일부터 5월 10일까지 행성 레이더 시스템을 사용하여 금성과의 통신을 확립했다. 속도와 거리 데이터를 사용하여 천문 단위의 새로운 값을 149,598,500 ± 500 km로 결정했다.[10][11] 정확한 값이 알려지자 다른 그룹에서도 이 결과와 일치하는 데이터를 발견했다.[9]
4. 2. 태양 및 기타 행성 관측
1959년부터 여러 차례 태양이 레이더로 관측되었다. 주파수는 보통 25~38MHz 사이로, 행성 간 작업보다 훨씬 낮았다. 광구와 코로나 모두에서 반사가 감지되었다.[12]다음은 레이더로 관측된 행성체 목록이다.
| 행성체 | 관측 내용 |
|---|---|
| 수성 | 지구로부터의 거리 측정값 개선 (GR 테스트). 자전 주기, 리브레이션, 표면 지도 작성 (특히 극지방). |
| 금성 | 1961년 첫 레이더 탐지. 자전 주기, 대략적인 표면 특성. 마젤란 임무는 레이더 고도계를 사용하여 전체 행성을 지도화함. |
| 지구 | 다양한 목적으로 수많은 항공기 및 우주선 레이더가 전체 행성을 지도화함. 셔틀 레이더 지형 임무는 30m 해상도로 지구 표면의 상당 부분을 지도화함. |
| 화성 | 아레시보 천문대에서 표면 거칠기 지도 작성. 마스 익스프레스 임무는 지면 관통 레이더를 탑재. |
| 목성 시스템 | 갈릴레이 위성 관측. |
| 토성 시스템 | 아레시보 천문대에서 고리 및 타이탄 관측, 카시니 우주선에서 타이탄 표면 지도 작성 및 다른 위성 관측. |
5. 소행성 및 혜성 연구
레이더는 지상에서 소행성과 혜성의 모양, 크기 및 자전 상태를 연구할 수 있는 기능을 제공한다. 레이더 영상은 최대 7.5미터 해상도의 이미지를 생성했다. 충분한 데이터가 있으면 대상 소행성의 크기, 모양, 자전 및 레이더 반사율을 추출할 수 있다.[13]
2016년 초 기준으로 612개의 근지구 소행성과 138개의 주 소행성대 소행성에 대한 레이더 관측이 이루어졌다.[13] 2018년까지 이 수치는 789개의 근지구 소행성, 138개의 주 소행성대 소행성, 20개의 혜성으로 증가했다.[13] 레이더로 연구된 혜성은 19개뿐이며,[13] 73P/Schwassmann-Wachmann이 포함된다.
많은 천체가 지구에 근접 접근 비행하는 동안 관측된다.
아레시보 천문대는 작동하는 동안 지구를 위협하는 혜성과 소행성 충돌에 대한 정보를 제공하여 아포피스 및 기타 천체와 같이 수십 년 후의 충돌 및 근접 비행 예측을 가능하게 했다.[4] 골드스톤 태양계 레이더는 더 작기 때문에 감도가 낮고 동일한 예측 능력을 제공할 수 없다.
6. 주요 관측 시설
7. 한국의 레이더 천문학 연구
한국천문연구원은 전파천문학 연구를 수행하고 있으며, KVN을 운영하여 우주 전파 관측 및 연구를 진행하고 있다. 한국은 DSN 구축에 참여하여 심우주 탐사를 위한 국제 협력에 기여하고 있다. 한국은 소행성 및 우주 물체 추적 시스템 개발에 투자하고 있으며, 레이더 기술을 활용한 우주 감시 역량 강화를 추진하고 있다.
참조
[1]
Held July 16–20, 1990
Radar and spacecraft ranging to Mercury between 1966 and 1988
Astronomical Society of Australia
1990-07
[2]
웹사이트
Arecibo Radar Status
http://www.naic.edu/[...]
2012-12-22
[3]
웹사이트
Asteroid Radar Research Page
http://echo.jpl.nasa[...]
JPL
2012-12-22
[4]
웹사이트
Giant Arecibo radio telescope collapses in Puerto Rico
https://www.theguard[...]
2021-03-05
[5]
conference
The forward scatter radar method for detecting space objects using emission of extraterrestrial radio sources
https://conference.s[...]
2023
[6]
서적
The Evolution of Radio Astronomy
"[[Paul Elek]] (Scientific Books)"
1973
[7]
간행물
Radar echoes from the moon
http://www.eagle.ca/[...]
1946-04
[8]
간행물
Reflection of microwaves from the moon
https://link.springe[...]
1947-01
[9]
서적
NASA SP-4218: To See the Unseen - A History of Planetary Radar Astronomy
https://history.nasa[...]
NASA
2008-05-15
[10]
간행물
Radar Measurements of the Planet Venus
https://ieeexplore.i[...]
1961-10
[11]
간행물
The astronomical unit determined by radar reflections from Venus
1962-05
[12]
웹사이트
A RADAR INVESTIGATION OF THE SOLAR CORONA
https://ntrs.nasa.go[...]
1967-08
[13]
웹사이트
Radar-Detected Asteroids and Comets
http://echo.jpl.nasa[...]
NASA/JPL Asteroid Radar Research
2016-04-25
[14]
간행물
Space Telecommunications, How?
"[[Civil Aviation Technology College]]"
2021-04
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