밴 앨런 프루브

3. 과학적 목표 및 성과

미국 항공우주국(NASA)의 태양과 함께 살아가기 프로그램의 일부인 밴 앨런 프루브는 존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구소(APL)가 주도하여 개발 및 운영하였다.^[4] 탐사선은 밴 앨런 복사대를 발견한 과학자 제임스 밴 앨런의 이름을 따서 명명되었다.^[4]

3. 1. 과학적 목표

• 방사선대에서 입자를 가속하고 수송하는 과정은 무엇이며, 어떤 조건에서 이러한 현상이 발생하는지 규명한다.
• 방사선대에서 전자가 어떻게 사라지는지(손실) 이해하고 그 양을 정량적으로 측정한다.
• 전자를 가속하는 과정과 손실시키는 과정 사이의 균형을 밝혀낸다.
• 지자기 폭풍이 발생했을 때 방사선대가 어떻게 변화하는지 이해한다.

3. 2. 주요 성과

• 세 번째 밴 앨런대 발견 (2013년 2월): 탐사선이 수집한 데이터를 통해 기존에 알려진 두 개의 밴 앨런 복사대 외에 세 번째 방사선 벨트가 일시적으로 존재함을 발견했다.^[16][29] 이 세 번째 벨트는 두 벨트 사이에 형성되었으며, 행성간 충격파에 의해 생성되었다가 몇 주 후 태양풍의 영향으로 사라졌다.^[16][29]

• 입자 가속 메커니즘 규명 (2013년 7월): 밴 앨런 복사대 내에서 입자가 빛의 속도의 99% 이상으로 가속되는 현상의 원인이 외부 요인이 아니라, 복사대 내부에서 자체적으로 발생하는 가속 과정임을 확인했다.^[30] 이는 이전까지 명확히 밝혀지지 않았던 수수께끼를 푸는 중요한 단서가 되었다.

• 환전류 작동 방식 규명 (2016년 5월): 지구 주변 약 10000km에서 60000km 거리에 존재하는 환전류(Ring Current)가 기존의 이해와는 다른 방식으로 작동한다는 사실을 밝혀냈다.^[14] 연구 결과, 환전류의 변화는 주로 저에너지 양성자의 움직임을 반영하며, 지자기 폭풍이 없는 평상시에도 고에너지 양성자에 의해 상당한 규모의 환전류가 지속적으로 존재한다는 것이 확인되었다.^[14][15] 지자기 폭풍 발생 시 환전류가 증가하는 것은 지구 근처로 새로운 저에너지 양성자가 유입되기 때문인 것으로 나타났다.^[14][15]

4. 탐사선 구조 및 장비

NASA의 고다드 우주 비행 센터는 태양과 함께 살아가기 프로그램 전체를 관리하며, 이 프로그램에는 밴 앨런 프루브(당시 RBSP)와 태양 역학 관측소(SDO) 등이 포함되었다. 존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구소(APL)는 NASA를 대신하여 밴 앨런 프루브 임무의 전반적인 구현, 관리, 제작 및 운영을 담당했다.^[4]

탐사선의 이름은 연구 대상인 방사선 벨트를 발견한 과학자 제임스 밴 앨런을 기리기 위해 명명되었다.^[4] 주요 임무 기간은 2년으로 계획되었는데, 이는 방사선 벨트의 혹독한 환경에서 위성 전자 장치의 생존 가능성에 대한 우려 때문이었다. 예상 소모품 수명은 4년이었지만, 탐사선은 7년 동안 성공적으로 임무를 수행했으며, 임무 종료는 전자 장치 고장이 아닌 연료 고갈 때문이었다. 이는 방사선 벨트라는 극한 환경 속에서 탐사선 전자 장치의 뛰어난 내구성과 복원력을 입증한 사례로 평가받는다.^[4]

밴 앨런 프루브는 두 대의 동일한 탐사선으로 구성되어 시간과 공간에 따른 방사선대의 변화를 정밀하게 관측하도록 설계되었다. 또한, 이 탐사선은 방사선 벨트에서 지구 대기로 떨어지는 입자를 측정하는 BARREL(Balloon Array for RBSP Relativistic Electron Losses) 프로젝트와 긴밀하게 협력하여 운영되었다.^[5][6]

4. 1. 탐사선 구조

4. 2. 탑재 장비

• 고에너지 입자, 조성 및 열 플라스마(Energetic Particle, Composition, and Thermal Plasma, ECT) 기기군^[17]: 뉴햄프셔 대학교의 할란 스펜스가 수석 연구원을 맡았다.^[18] 주요 협력 기관으로는 LANL, 사우스웨스트 연구소, 항공우주 기업, LASP가 참여했다.
• 전기 및 자기장 기기군 및 통합 과학(Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science, EMFISIS)^[19]: 아이오와 대학교의 크레이그 클레칭이 수석 연구원을 맡았다.
• 전기장 및 파동 기기(Electric Field and Waves Instrument, EFW): 미네소타 대학교의 존 와이건트가 수석 연구원을 맡았으며, 캘리포니아 대학교 버클리와 콜로라도 대학교 볼더가 주요 협력 기관으로 참여했다.
• 방사선대 폭풍 탐사선 이온 조성 실험(Radiation Belt Storm Probes Ion Composition Experiment, RBSPICE): 뉴저지 공과대학교의 루이스 J. 랜제로티가 수석 연구원을 맡았다. 주요 협력 기관으로는 응용 물리학 연구소와 Fundamental Technologies, LLC가 있다.
• 상대론적 양성자 분광기(Relativistic Proton Spectrometer, RPS): 미국 국가 정찰국에서 제공했다.

5. 협력 및 의의

밴 앨런 프루브 임무는 미국 항공 우주국(NASA)과 존스 홉킨스 대학교 응용 물리 연구소 등 여러 기관의 협력을 통해 이루어졌으며, Living With a Star 계획의 중요한 부분을 차지한다. 이 탐사선은 지구 주변의 혹독한 방사선 환경인 밴 앨런 복사대를 심층적으로 연구하여 우주 기상의 원리를 밝히고, 이것이 인공위성, 통신 시스템, 전력망, GPS 등 현대 기술 사회에 미치는 영향을 이해하는 것을 목표로 했다.

탐사선은 태양 활동에 따라 변화하는 방사선대의 입자 가속 및 소멸 과정, 지자기 폭풍과의 상호작용 등을 규명함으로써 과학적 이해를 높이는 데 크게 기여했다. 또한, 예상 수명을 훨씬 넘겨 성공적으로 임무를 수행하며 극한 환경에서의 우주선 내구성 기술을 입증하는 성과도 거두었다. 이러한 연구 결과는 우주 기상 예보의 정확성을 높여 관련 위험으로부터 사회 기반 시설을 보호하고, 더 안전한 미래 우주 탐사를 위한 기반을 마련하는 데 중요한 의의를 가진다.

5. 1. 국제 협력

5. 2. 과학적 의의

• 방사선대에서 입자를 가속하고 이동시키는 과정과 그 조건을 밝혀낸다.
• 방사선대에서 전자가 사라지는 과정을 이해하고 그 양을 측정한다.
• 전자를 가속하는 과정과 소멸시키는 과정 사이의 균형을 알아낸다.
• 지자기 폭풍이 발생했을 때 방사선대가 어떻게 변하는지 이해한다.

5. 3. 사회적 의의

• 방사선대에서 입자를 가속시키고 이동시키는 메커니즘과 그 발생 조건을 규명한다.
• 방사선대에서 전자가 사라지는 과정을 정량적으로 측정한다.
• 전자의 가속 과정과 소멸 과정 사이의 균형점을 파악한다.
• 자기 폭풍이 발생했을 때 방사선대가 어떻게 변화하는지 이해한다.

참조

_[1] 뉴스 Van Allen Probes: NASA Renames Radiation Belt Mission to Honor Pioneering Scientist https://www.scienced[...] Science Daily 2012-11-12
_[2] 웹사이트 RBSP - Mission Overview http://www.nasa.gov/[...] 2012-03-28
_[3] 웹사이트 Radiation Belt Storm Probes (RBSP) http://www.nasa.gov/[...]
_[4] 웹사이트 NASA's resilient van Allen Probes shut down – Spaceflight Now https://spaceflightn[...]
_[5] 웹사이트 Launching Balloons in Antarctica http://www.nasa.gov/[...] 2011-02-22
_[6] 웹사이트 Balloon Array for RBSP Relativistic Electron Losses http://www.dartmouth[...]
_[7] 웹사이트 Construction Begins! http://rbsp.jhuapl.e[...] The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory 2010-01-01
_[8] 웹사이트 Probes launched http://www.space.com[...] 2012-08-30
_[9] 웹사이트 United Launch Alliance Atlas V Awarded Four NASA Rocket Launch Missions http://www.ulalaunch[...] ULA 2009-03-16
_[10] 웹사이트 Tropical Storm Isaac Delays NASA Launch http://space.brevard[...] The Brevard Times 2012-08-26
_[11] 웹사이트 Beginning of the end: NASA's Van Allen probes prepare for mission's end https://www.nasaspac[...] 2019-02-17
_[12] 웹사이트 Van Allen Probes Spacecraft B Completes Mission Operations http://vanallenprobe[...] 2019-10-10
_[13] 웹사이트 Ten Highlights From NASA's Van Allen Probes Mission https://www.nasa.gov[...] NASA 2019-10-21
_[14] 뉴스 Van Allen Probes Reveal Long-term Behavior of Earth's Ring Current http://spaceref.com/[...] 2016-05-20
_[15] 간행물 Storm time dynamics of ring current protons: Implications for the long-term energy budget in the inner magnetosphere 2016-05-19
_[16] 간행물 Ephemeral third ring of radiation makes appearance around Earth https://www.nature.c[...] 2024-03-26
_[17] 웹사이트 RBSP-ETC // About http://www.bu.edu/cs[...]
_[18] 웹사이트 RBSP ECT team http://rbsp-ect.sr.u[...] 2017-04-24
_[19] 간행물 The Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) on RBSP 2013-11-01
_[20] 뉴스 Van Allen Probes: NASA Renames Radiation Belt Mission to Honor Pioneering Scientist http://www.scienceda[...] Science Daily 2012-11-12
_[21] 웹사이트 RBSP - Mission Overview http://www.nasa.gov/[...] 2012-03-28
_[22] 웹사이트 Radiation Belt Storm Probes (RBSP) http://www.nasa.gov/[...]
_[23] 웹사이트 Launching Balloons in Antarctica http://www.nasa.gov/[...] 2011-02-22
_[24] 웹사이트 Balloon Array for RBSP Relativistic Electron Losses http://www.dartmouth[...]
_[25] 웹사이트 Construction Begins! http://rbsp.jhuapl.e[...] The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory 2013-05-13
_[26] 웹사이트 Probes launched http://www.space.com[...] 2013-05-13
_[27] 웹사이트 United Launch Alliance Atlas V Awarded Four NASA Rocket Launch Missions http://www.ulalaunch[...] ULA 2013-05-13
_[28] 웹사이트 Tropical Storm Isaac Delays NASA Launch http://space.brevard[...] The Brevard Times 2012-08-26
_[29] 뉴스 Ephemeral third ring of radiation makes appearance around Earth http://www.nature.co[...]
_[30] 뉴스 NASA's Van Allen Probes Discover Particle Accelerator in the Heart of Earth’s Radiation Belts http://www.nasa.gov/[...] NASA 2013-08-11
_[31] 뉴스 Van Allen Probes: NASA Renames Radiation Belt Mission to Honor Pioneering Scientist https://www.scienced[...] Science Daily 2012-11-12
_[32] 웹인용 RBSP - Mission Overview http://www.nasa.gov/[...] 2012-03-28
_[33] 웹사이트 Radiation Belt Storm Probes (RBSP) http://www.nasa.gov/[...]