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링크스 엑스선 천문대

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1. 개요

링크스 엑스선 천문대는 NASA가 2016년 플래그쉽 프로그램 후보로 선정한 차세대 엑스선 관측소이다. 블랙홀의 여명, 은하의 형성과 진화, 항성 생태계의 에너지 특성 연구를 목표로 하며, 고해상도 엑스선 이미저(HDXI) 기술 개발에 한국 기업의 참여 가능성이 있다. 2035년 미국에서 발사될 예정이며, 예상 비용은 48억 달러에서 62억 달러 사이로 추정된다.

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링크스 엑스선 천문대
Lynx X-ray Observatory 관련 정보
이름링크스 엑스선 관측선
다른 이름Lynx X-ray Surveyor (이전 이름)
링크스 엑스선 관측선
운영 기관NASA
웹사이트https://www.lynxobservatory.org/
임무 유형우주 망원경
프로그램대형 전략 과학 임무
링크스 엑스선 관측선 워드마크
기기 정보
망원경 유형볼터 망원경
망원경 구경3m
초점 거리10m
면적1 keV에서 2m2
파장엑스선
해상도전체 시야에서 0.5 arcsec
장비Lynx X-ray Mirror Assembly (LMA)
High Definition X-ray Imager (HDXI)
Lynx X-ray Microcalorimeter (LXM)
X-ray Grating Spectrometer (XGS)
임무 정보
발사 예정일2036년 (제안)
궤도태양-지구 L2 궤도

2. 역사와 제작 배경

2016년 NASA는 플래그쉽 프로그램의 일환으로 미래의 대형 전략 과학 임무를 위한 네 가지 우주 망원경 개념 연구를 설립했는데, 그중 하나가 ''링크스''(원래 X선 조사기로 불림)였다.[11] 이는 2013년 천체 물리학 로드맵에 제시된 권고에 따른 것이었다. 현재 ''링크스''는 설계 중에 있으며, 플래그쉽 프로그램에 편입되어 본격적인 설계가 진행되고 있다. 예산은 일부 배정되었고, 앞으로 더 배정될 예정이다.

''링크스''는 두 번째 태양-지구 라그랑주 점 (L2) 주변의 헤일로 궤도에 배치될 예정이며, 수리 없이 20년 이상 작동할 수 있는 충분한 추진제를 탑재할 것이다.[1][2]

2. 1. NASA 플래그쉽 프로그램 선정

2016년, NASA는 플래그쉽 프로그램으로 HabEx, LUVOIR, 링크스 엑스선 관측선, OST를 최종후보로 선정했다.[11] 이는 2013년 천체 물리학 로드맵에서 제시된 권고에 따른 것이었다. NASA는 미래의 대형 전략 과학 임무를 위해 4가지 우주망원경 개념 연구를 설립했는데, ''링크스''(원래 X선 조사기로 불림) 외에도 거주 가능한 외계 행성 이미징 임무(HabEx), 대형 자외선 가시광선 적외선 조사기(LUVOIR), 오리진스 우주 망원경(OST, 원래 원적외선 조사기로 불림)이 있었다.

다른 제안된 우주 망원경과 비교(''링크스'', LUVOIR, HabEx 및 ''오리진스'')


4개 팀은 2019년 8월에 최종 보고서를 NASA와 미국 국립 과학 아카데미에 제출했으며, 국립 과학 아카데미의 독립적인 십 년 조사 위원회는 NASA에 어떤 임무에 최우선 순위를 부여해야 하는지 조언한다. ''링크스''가 최우선 순위를 받아 자금을 지원받게 된다면, 대략 2036년에 발사될 예정이다. 이 망원경은 두 번째 태양-지구 라그랑주 점 (L2) 주변의 헤일로 궤도에 배치될 것이며, 수리 없이 20년 이상 작동할 수 있는 충분한 추진제를 탑재할 것이다.[1][2]

''링크스'' 개념 연구에는 학술 기관을 포함한 200명 이상의 과학자와 엔지니어가 참여했으며, 항공 우주 및 엔지니어링 회사도 참여했다.[3] 알렉세이 비클리닌과 페리얼 외젤이 ''링크스'' 과학 기술 정의 팀(STDT) 공동 의장을 맡았다. 제시카 개스킨은 NASA 연구 과학자였으며, 마셜 우주 비행 센터는 스미소니언 천체 물리학 관측소와 공동으로 ''링크스'' 연구 사무소를 관리했다.

2. 2. 명칭 선정

2016년 NASA는 플래그쉽 프로그램으로 HabEx, LUVOIR, 링크스 엑스선 관측선, OST를 최종 후보로 택했다.[11] 그 후 링크스 엑스선 관측선의 이름이 Lynx(살쾡이)로 정해졌다.

2. 3. 대한민국과의 협력 가능성

대한민국은 차세대 엑스선 우주망원경 개발에 필요한 HDXI(고화질 X선 이미저) 기술 등에서 협력할 가능성이 있다.

3. 과학적 목표

https://www.lynxobservatory.org/report 최종 보고서에 따르면, ''링크스(Lynx)''는 다음 세 가지 천체 물리학적 발견 분야에서 주요 발전을 이룰 수 있도록 설계되었다.


  • 블랙홀의 여명
  • 은하 형성 및 진화의 동인
  • 항성 진화 및 항성 생태계의 에너지 특성


이 세 가지 분야는 천문대의 기본 요구 사항을 설정하는 "과학 기둥" 역할을 한다. 링크스는 크게 향상된 감도, 망원경의 시야 전체에 걸쳐 안정적인 서브 아크초 점 퍼짐 함수, 그리고 영상과 회절 분광법 모두에 대한 매우 높은 분광 해상도를 갖추도록 설계되었다.

이러한 주요 과학적 목표 외에도, 다중 메신저 천문학, 블랙홀 강착 원반 물리학, 대규모 구조, 태양계 과학, 외계 행성 연구 등도 가능하다.[1] ''링크스(Lynx)'' 팀은 NASA의 거대 관측소 프로그램에서 영감을 받아 미션의 과학적 능력을 "변혁적으로 강력하고, 유연하며, 오래 지속된다"라고 홍보한다.[1]

3. 1. 블랙홀의 여명

''링크스(Lynx)'' 설계 참조 임무는 블랙홀의 여명을 포함하여 세 가지 천체 물리학적 발견 분야에서 주요 발전을 이룰 수 있도록 의도적으로 최적화되었다.([https://www.lynxobservatory.org/report ''링크스(Lynx)'' 보고서] 1장) 이는 천문대의 기본 요구 사항을 설정하는 세 개의 "과학 기둥" 중 하나로, 초기 우주의 블랙홀 관측을 통해 우주 진화 연구에 기여할 수 있다.

3. 2. 은하의 형성과 진화

개념 연구의 [https://www.lynxobservatory.org/report 최종 보고서]에 따르면, 링크스 설계 참조 임무는 은하의 형성과 진화의 동인을 밝히는 데 주요 발전을 이룰 수 있도록 의도적으로 최적화되었다.[1] 이는 천문대의 기본 요구 사항을 설정하는 세 가지 "과학 기둥" 중 하나이다.[1] 이러한 요구 사항에는 크게 향상된 감도, 망원경의 시야 전체에 걸쳐 안정적인 서브 아크초 점 퍼짐 함수, 그리고 영상과 회절 분광법 모두에 대한 매우 높은 분광 해상도가 포함된다.[1]

3. 3. 항성 생태계의 에너지 특성

''링크스(Lynx)'' 설계 참조 임무는 항성 진화 및 항성 생태계의 에너지 특성에 대한 연구에 있어 주요 발전을 이루도록 최적화되었다. 이는 천문대의 기본 요구 사항을 설정하는 세 가지 "과학 기둥" 중 하나이다. 이러한 요구 사항에는 크게 향상된 감도, 망원경의 시야 전체에 걸쳐 안정적인 서브 아크초 점 퍼짐 함수, 그리고 영상과 회절 분광법 모두에 대한 매우 높은 분광 해상도가 포함된다.

3. 4. 기타 과학적 목표

다중 메신저 천문학, 블랙홀 강착 원반 물리학, 대규모 구조, 태양계 과학, 외계 행성 등 광범위한 과학적 연구가 가능하다.[1] ''링크스(Lynx)'' 팀은 NASA의 거대 관측소 프로그램에서 영감을 받아 미션의 과학적 능력을 "변혁적으로 강력하고, 유연하며, 오래 지속된다"라고 홍보한다.[1]

4. 기술적 특징

링크스 우주선은 찬드라 엑스선 관측소의 유산을 활용하는 동시에 훨씬 강력한 X선 거울 조립체와 세 가지 과학 기기를 탑재하고 있다.


링크스 엑스선 관측선은 다음과 같은 주요 기술적 특징을 갖추고 있다.

  • 주경: X선을 모아 관측의 효율성을 높인다.
  • X선 분광기: X선을 관측하여 우주의 다양한 현상을 연구한다.
  • 태양전지: 우주망원경에 필요한 전력을 안정적으로 공급한다.


이러한 특징들은 찬드라 엑스선 관측소의 기술을 바탕으로 더욱 발전된 것으로, 링크스 엑스선 관측선이 우주를 더 깊이 연구하는 데 도움을 줄 것이다.

4. 1. 우주선 설계



''링크스''는 개별 X선 광자의 위치, 에너지 및 도착 시간을 기록하는 X선 관측소로, 사선 입사 X선 망원경과 탐지기로 설계되었다. 개념 연구의 [https://www.lynxobservatory.org/report 최종 보고서] 6-10장에 설명되어 있다. 사후 시선 방향 재구성은 지향 정밀도와 안정성에 대한 요구 사항을 낮추면서도 감지된 광자에 대한 정확한 하늘 위치를 가능하게 한다. ''링크스'' 우주선의 설계는 움직이는 부품이 거의 없고 기술 성숙도가 높은 요소를 갖춘 ''찬드라 X선 관측소''의 유산을 크게 활용한다. 태양-지구 L2 주변의 헤일로 궤도에서 작동하여 안정적인 환경에서 높은 관측 효율을 가능하게 한다. 궤도에서의 기동 및 작동 절차는 ''찬드라''와 거의 동일하며 유사한 설계 접근 방식은 수명을 연장한다. 우주 내 서비스가 없더라도 ''링크스''는 최소 20년 동안의 지속적인 작동을 가능하게 할 만큼 충분한 소모품을 탑재할 것이다. 그러나 우주선과 탑재체 요소는 서비스가 가능하도록 설계되어 잠재적으로 수명을 더 연장할 수 있다.

4. 2. 탑재체



찬드라 엑스선 관측소 및 아테나 엑스선 관측소와 비교하여 링스 엑스선 관측소 임무 개념의 기능을 보여주는 "스파이더 다이어그램".


링스 설계 참조 임무의 민감도, 공간 및 분광 해상도의 주요 발전은 위성체의 탑재체, 즉 거울 어셈블리와 세 개의 과학 기기에 의해 가능해진다. 각 탑재체 요소는 최첨단 기술을 특징으로 하며 지난 20년 동안 기존 계측 기술 개발의 자연스러운 진화를 나타낸다. 주요 기술은 현재 기술 준비 수준(TRL) 3 또는 4이다. 2020년대 초 3년 동안 목표로 하는 A 단계 이전 개발을 통해 4가지 주요 기술 중 3가지는 TRL 5로 성숙될 것이며, 1개는 A 단계 시작 시 TRL 4에 도달하여 그 직후 TRL 5를 달성할 것이다.

링스 탑재체는 다음과 같이 크게 네 가지 요소로 구성된다.

  • '''링스 엑스선 거울 어셈블리'''(LMA): X선을 모으는 역할을 한다.
  • '''고해상도 엑스선 이미저''' (HDXI): 넓은 시야에서 높은 공간 해상도로 이미지를 얻는 역할을 한다.
  • '''링스 엑스선 마이크로칼로리미터''' (LXM): 높은 분광 해상도로 정밀한 에너지 측정이 가능하다.
  • '''X선 격자 분광기''' (XGS): 점원에 대해 연 X선 대역에서 매우 높은 스펙트럼 해상도를 제공한다.

4. 2. 1. 링스 엑스선 거울 어셈블리 (LMA)

'''링스 엑스선 거울 어셈블리'''(LMA)는 관측소의 핵심 요소로, 오프 축 성능이 크게 향상되어 찬드라에 비해 민감도, 분광 투과율, 관측 속도 및 이미징에서 주요 발전을 가능하게 한다. 링스 설계 참조 임무는 [https://wwwastro.msfc.nasa.gov/lynx/docs/documents/TechnologyRoadmaps/SMO_TR.pdf 실리콘 메타셸 광학 (SMO)]이라는 새로운 기술을 기반으로 한다. 이 기술은 수천 개의 매우 얇고 고도로 연마된 거의 순수한 실리콘 조각을 촘촘하게 포장된 동심 쉘로 쌓아 올리는 방식이다. 링스에 대해 고려된 세 가지 거울 기술 중에서 SMO 설계는 현재 입증된 성능 측면에서 가장 발전되어 있으며, 이미 ''링스''에 필요한 수준에 근접해 있다. SMO의 고도로 모듈화된 설계는 병렬화된 제조 및 조립에 적합하며, 높은 내고장성도 제공한다. 개별 거울 조각이나 모듈이 손상된 경우에도 일정과 비용에 미치는 영향은 최소화된다.

4. 2. 2. 고해상도 엑스선 이미저 (HDXI)

HDXI는 링스의 주요 이미저로, 넓은 시야(FOV)에서 높은 공간 해상도와 0.2–10 keV 대역 통과에서 높은 감도를 제공한다. 0.3 각초(0.3′′) 픽셀은 22′ × 22′ FOV에서 링스 거울 점 확산 함수를 적절하게 샘플링한다. HDXI의 21개 개별 센서는 오프 축 PSF를 개선하기 위해 최적의 초점 표면을 따라 배치된다.

링스 DRM은 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 액티브 픽셀 센서 (APS) 기술을 사용하며, 이 기술은 높은 판독 속도, 높은 광대역 양자 효율, 충분한 에너지 해상도, 최소 픽셀 누화 및 방사선 경화와 같은 필요한 기능을 갖출 것으로 예상된다. 링스 팀은 TRL 등급 (TRL 3)이 비슷하고 건전한 TRL 발전 로드맵을 가진 세 가지 옵션(모놀리식 CMOS, 하이브리드 CMOS 및 CMOS 판독이 있는 디지털 CCD)을 확인했다. 이 모든 기술은 현재 기술 개발 자금을 지원받고 있다.

4. 2. 3. 링스 엑스선 마이크로칼로리미터 (LXM)

LXM은 높은 분해능( ''R'' ~ 2,000)을 경 및 연 X선 대역에서 모두 제공하는 이미징 분광계이며, 높은 공간 해상도(0.5′′ 규모까지)와 결합되어 있다. LXM 초점 평면에는 동일한 판독 기술을 공유하는 세 개의 배열이 포함되어 있으며, 각 배열은 흡수기 픽셀 크기 및 두께와 흡수기가 열 판독 장치에 연결되는 방식에 따라 차별화된다. 총 픽셀 수는 100,000개를 초과하며, 이는 과거 및 현재 계획된 엑스선 마이크로칼로리미터에서 큰 도약이다. 이러한 엄청난 개선은 막대한 추가 비용을 수반하지 않는데, LXM 배열 중 두 개는 여러 흡수기가 단일 온도 센서에 연결되는 간단하고 이미 입증된 "열" 멀티플렉싱 방식을 특징으로 하기 때문이다. 이 설계는 읽어야 하는 센서 수(X선 마이크로칼로리미터의 주요 전력 및 비용 요인 중 하나)를 ~7,600개로 줄이며, 이는 아테나의 X-IFU 기기에 대해 계획된 것에 비해 약간 증가한 것이다. 2019년 봄 현재, 초점 평면의 프로토타입은 세 개의 배열을 모두 2/3 크기로 포함하여 제작되었으며, 이러한 프로토타입은 링스에 필요한 픽셀 형태, 크기 및 배선 밀도를 가진 배열을 높은 수율로 쉽게 달성할 수 있음을 보여준다. 다른 픽셀 유형의 에너지 해상도 요구 사항도 쉽게 달성할 수 있다. LXM은 기술적으로 여전히 TRL 3에 있지만 2020년까지 TRL 4, 2024년까지 TRL 5를 달성하기 위한 명확한 경로가 있다.

4. 2. 4. X선 격자 분광기 (XGS)

XGS는 점원에 대해 연 X선 대역에서 훨씬 더 높은 스펙트럼 해상도(''R'' = 5,000, 목표 7,500)를 제공한다. 현재 기술 수준(''찬드라'')과 비교하여 XGS는 스펙트럼 해상도가 5배 이상 높고 처리량이 수백 배 높다.[4] 이러한 이득은 X선 격자 기술의 최근 발전에 의해 가능해졌다.[4] 두 가지 강력한 기술 후보는 임계각 전송 (''링스'' DRM에 사용) 및 오프 평면 반사 격자이다.[4] 이 두 가지 모두 완전히 가능하며 현재 TRL 4에 있으며, 최근 X선 테스트에서 ~10,000의 높은 효율과 분해능을 입증했다.[4]

5. 임무 운영

링크스 엑스선 천문대의 개념 연구 기간 동안 제작된 홍보 및 마케팅 자료


링크스의 과학적 영향력은 제안된 모든 관측을 동료 검토에 회부함으로써 극대화될 것이다. 이는 세 가지 과학 기둥과 관련된 관측도 포함한다. 시간 사전 할당은 미리 선택된 하늘 영역의 탐사와 같은 소수의 다목적 핵심 프로그램에 대해서만 고려될 수 있다. 이러한 개방형 일반 관측자(GO) 프로그램 방식은 허블 우주 망원경, 찬드라 엑스선 관측소, 스피처 우주 망원경과 같은 대형 임무에서 성공적으로 사용되었으며, 제임스 웹 우주 망원경 및 낸시 그레이스 로만 우주 망원경에도 계획되어 있다.[8]

5. 1. 찬드라 엑스선 관측선과의 비교

찬드라 엑스선 관측소의 운영 경험은 링크스 운영에 필요한 시스템 개발의 청사진을 제공하며, 처음부터 시작하는 것에 비해 상당한 비용 절감을 가져올 것이다. 이는 과학 및 운영 센터를 위한 단일 주 계약자로 시작하여 과학자, 엔지니어, 프로그래머로 구성된 원활하고 통합된 팀을 통해 운영되기 때문이다. 찬드라를 위해 개발된 많은 시스템 설계, 절차, 프로세스 및 알고리즘은 링크스에도 직접 적용될 수 있지만, 모두 2030년대 이후에 적합한 소프트웨어/하드웨어 환경으로 재구성될 것이다.[8]

5. 2. 과학 데이터 활용

찬드라 엑스선 관측소의 경험은 링크스(Lynx) 운용에 필요한 시스템 개발의 청사진을 제공하며, 처음부터 시작하는 것에 비해 상당한 비용 절감을 가져올 것이다. 이는 과학 및 운영 센터를 위한 단일 주 계약자로 시작하여 과학자, 엔지니어, 프로그래머로 구성된 원활하고 통합된 팀을 통해 운영된다. 찬드라를 위해 개발된 많은 시스템 설계, 절차, 프로세스 및 알고리즘은 링크스에도 직접 적용될 수 있지만, 모두 2030년대 이후에 적합한 소프트웨어/하드웨어 환경으로 재구성될 것이다.

링크스의 과학적 영향력은 제안된 모든 관측을 동료 검토에 회부함으로써 극대화될 것이며, 이는 세 가지 과학 기둥과 관련된 관측도 포함한다. 시간 사전 할당은 미리 선택된 하늘 영역의 탐사와 같은 소수의 다목적 핵심 프로그램에 대해서만 고려될 수 있다. 이러한 개방형 일반 관측자(GO) 프로그램 방식은 허블 우주 망원경, 찬드라 엑스선 관측소, 스피처 우주 망원경과 같은 대형 임무에서 성공적으로 사용되었으며, 제임스 웹 우주 망원경 및 낸시 그레이스 로만 우주 망원경에도 계획되어 있다. 링크스 GO 프로그램은 과학 기둥의 목표를 달성하고, 천체 물리학적 지형에 걸쳐 영향을 미치고, 새로운 탐구 방향을 열고, 아직 상상하지 못한 발견을 만들어낼 수 있도록 충분한 노출 시간을 갖게 될 것이다.

6. 예상 비용

''링크스 엑스선 천문대''의 예상 비용은 48억달러에서 62억달러 사이로 추산된다(각각 40%와 70%의 신뢰 구간에서 20 회계 연도 미국 달러 기준). 이 예상 비용 범위에는 발사체, 비용 예비비, 그리고 5년 동안의 임무 운영 자금이 포함되어 있으며, 유럽 우주국(ESA)의 참여와 같은 잠재적인 외국 기여는 제외된다.[1] ''링크스'' 팀은 다섯 개의 독립적인 비용 추정을 의뢰했으며, 이들은 모두 총 임무 수명 주기 비용에 대한 유사한 추정치를 제시했다.[1]

6. 1. 비용 추정 범위

''링크스 엑스선 천문대''의 예상 비용은 48억달러에서 62억달러 사이로 추산된다(각각 40%와 70%의 신뢰 구간에서 20 회계 연도 미국 달러 기준). 이 예상 비용 범위에는 발사체, 비용 예비비, 그리고 5년 동안의 임무 운영 자금이 포함되어 있으며, 유럽 우주국(ESA)의 참여와 같은 잠재적인 외국 기여는 제외된다.[1] 콘셉트 연구의 [https://www.lynxobservatory.org/report 최종 보고서] 8.5절에 설명된 바와 같이, ''링크스'' 팀은 다섯 개의 독립적인 비용 추정을 의뢰했으며, 이들은 모두 총 임무 수명 주기 비용에 대한 유사한 추정치를 제시했다.[1]

6. 2. 국제 협력

유럽 우주국(ESA)과의 국제 협력을 통해 ''링크스 엑스선 천문대''의 비용을 절감할 가능성이 있다. 콘셉트 연구 최종 보고서에 따르면, ''링크스'' 팀은 다섯 개의 독립적인 비용 추정을 의뢰했으며, 이들은 모두 총 임무 수명 주기 비용에 대해 유사한 추정치를 제시했다.[1]

7. 지원, 개발, 투자

링스 엑스선 관측선 개발에는 NASA, JPL, 록히드마틴, MSFC 등 여러 기관 및 기업이 참여하고 있다.[1]

7. 1. 참여 기관


  • NASA
  • JPL
  • 록히드마틴
  • MSFC

7. 2. 대한민국 기업 참여 가능성

대한민국의 기업들은 HDXI(고화질 X선 이미저) 기술 개발에 참여할 가능성이 있다.

8. 발사 계획

발사는 2035년 미국에서 할 예정이다. 더 자세한 사항은 2020년까지 정해질 예정이다.

참조

[1] 웹사이트 Concept Study Report https://ntrs.nasa.go[...] Lynx X-ray Observatory 2020-01-10
[2] 학술지 Lynx X-Ray Observatory: an overview 2019-05-29
[3] 웹사이트 The Lynx Team https://www.lynxobse[...] 2020-01-17
[4] 웹인용 NASA Considers Its Next Flagship Space Telescope https://www.scientif[...] 2018-06-03
[5] 웹인용 Beyond Chandra - the X-ray Surveyor https://arxiv.org/ab[...] 2018-06-03
[6] 웹인용 "Lynx - Revealing the Revealing the invisible Universe" https://wwwastro.msf[...] 2018-06-03
[7] 웹인용 About the Lynx name https://wwwastro.msf[...] 2018-06-03
[8] 웹인용 Lynx X-ray Surveyor https://wwwastro.msf[...] 2018-06-03
[9] 웹인용 THE LYNX MISSION REVEALING THE INVISIBLE UNIVERSE https://ntrs.nasa.go[...] 2018-06-03
[10] 웹인용 Lynx X-ray Surveyor https://wwwastro.msf[...] 2018-06-03
[11] 웹인용 NASA Considers Its Next Flagship Space Telescope https://www.scientif[...] 2018-06-03



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