벨라 (인공위성)
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1. 개요
벨라(Vela)는 1963년부터 1980년대까지 운영된 미국의 인공위성 프로젝트로, 핵실험 탐지를 주된 목적으로 개발되었다. 냉전 시대 핵실험 경쟁 속에서, 벨라 위성은 우주 공간에서 핵폭발을 감지하기 위해 설계되었으며, 초기에는 12개의 X선 감지기와 18개의 중성자 및 감마선 감지기를 탑재했다. 이후 개량형 벨라 위성은 방미터 센서를 추가하여 핵폭발 위치를 더욱 정확하게 파악할 수 있었다. 벨라 위성은 핵실험 탐지 임무 외에도, 우주 감마선 폭발을 최초로 감지하는 등 과학적 발견에도 기여했다. 벨라 위성은 총 12기가 제작되었으며, 벨라 사건과 같은 논란을 일으키기도 했다.
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벨라 (인공위성) |
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2. 개발 배경 및 역사
냉전 시기 미국은 소련 등 잠재적 적성국의 핵실험 활동을 감시할 필요성을 느꼈다. 특히 1963년 부분 핵실험 금지 조약(PTBT) 체결로 대기권, 수중, 우주 공간에서의 핵실험이 금지되었으나, 비밀 핵실험이나 조약 위반 가능성에 대한 우려는 여전했다. 이러한 배경 아래 미국은 우주 공간에서의 핵폭발을 탐지하여 조약 준수를 감시하고 핵 확산을 억제하기 위해 벨라 프로젝트를 비밀리에 추진했다.[2] 이 프로젝트는 핵 감시 기술 발전의 중요한 계기가 되었으며, 벨라 위성들은 핵 탐지 외에도 우주 과학 연구에 기여했다.
2. 1. 벨라 프로젝트의 시작
2. 2. 벨라 위성의 발사 및 운영
벨라 위성은 1959년부터 적은 예산으로 시작된 연구 계획으로, 총 12기의 위성이 제작되었다. 이 중 6기는 초기형인 '벨라 호텔'(Vela Hotel) 디자인이었고, 나머지 6기는 개량형인 '어드밴스드 벨라'(Advanced Vela) 디자인이었다. 벨라 호텔 시리즈는 우주 공간에서의 핵실험을 탐지하기 위해 설계되었으며, 어드밴스드 벨라 시리즈는 우주뿐만 아니라 대기 중의 핵폭발까지 탐지할 수 있도록 개발되었다.[2] 모든 위성은 미국의 샌디아 국립 연구소에서 개발하고 TRW에서 제작하였다.위성들은 반 알렌 복사대의 강한 방사선을 피하기 위해 지구로부터 약 118000km 떨어진 고궤도에[1] 쌍으로 발사되었다.[2] 이 궤도의 원지점은 달까지 거리의 약 3분의 1에 해당한다. 발사에는 초기에는 아틀라스–아게나 로켓이 사용되었고, 후기에는 더 무거워진 위성을 위해 타이탄 III-C 로켓이 사용되었다.
첫 번째 벨라 호텔 위성 쌍(벨라 1A, 1B)은 부분 핵실험 금지 조약이 발효된 지 일주일 후인 1963년 10월 17일에 발사되었다.[3] 이는 아틀라스-아게나 SLV-3 발사체의 첫 비행이기도 했다. 이후 1964년 7월 17일과 1965년 7월 20일에 각각 두 번째와 세 번째 벨라 호텔 위성 쌍이 발사되었다. 1965년 발사 당시 아틀라스 로켓의 버니어 엔진 문제로 위성 궤도 경사가 약간 낮아졌으나, 임무 수행에는 성공했다. 벨라 호텔 위성의 설계 수명은 6개월이었지만, 실제로는 5년 이상 운영되었다.
어드밴스드 벨라 위성 쌍은 1967년 4월 28일, 1969년 5월 23일, 1970년 4월 8일에 타이탄 IIIC 로켓으로 발사되었다. 이 위성들의 초기 설계 수명은 18개월이었으나, 나중에 7년으로 연장되었다. 특히 1969년에 발사된 벨라 9호기(벨라 5A 또는 5B 중 하나로 추정됨)는 1984년까지 거의 15년 동안 작동하여 가장 오래 운영된 위성 중 하나가 되었다. 마지막 벨라 위성 쌍은 1985년까지 운영되다가 최종적으로 폐쇄되었으며, 미 공군은 이들이 세계에서 가장 오래 작동한 위성이라고 주장하기도 했다. 이 위성들은 1992년 말 궤도가 붕괴될 때까지 지구 궤도에 남아 있었다.
벨라 위성의 핵 탐지 임무는 1970년대에 DSP 위성 시스템으로, 1980년대에는 GPS 위성 시스템으로 계승되었다. 현재 이 핵 탐지 시스템은 '''IONDS'''(Integrated Operational Nuclear Detection System)라고 불린다.
다음은 벨라 위성의 발사 목록이다.[4]
발사일 | 위성 | COSPAR ID | 발사체 | Serial | 발사 질량 | 장비 | 위성 사진 |
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1963년 10월 17일 | 벨라 1A | 1963-039A | 아틀라스-아게나-D | 197D | 150kg | 3개 장비 | ![]() |
벨라 1B | 1963-039C | ||||||
1964년 7월 17일 | 벨라 2A | 1964-040A | 아틀라스-아게나-D | 216D | 150kg | 8개 장비 | |
벨라 2B | 1964-040B | ||||||
1965년 7월 20일 | 벨라 3A | 1965-058A | 아틀라스-아게나-D | 225D | 150kg | 8개 장비 | ![]() |
벨라 3B | 1965-058B | ||||||
1967년 4월 28일 | 벨라 4A | 1967-040A | 타이탄 IIIC | 3C-10 | 231kg | 9개 장비 | ![]() |
벨라 4B | 1967-040B | ||||||
1969년 5월 23일 | 벨라 5A | 1969-046D | 타이탄 IIIC | 3C-15 | 259kg | 8개 장비 | ![]() |
벨라 5B | 1969-046E | ||||||
1970년 4월 8일 | 벨라 6A | 1970-027A | 타이탄 IIIC | 3C-18 | 261kg | 8개 장비 | |
벨라 6B | 1970-027B |
벨라 위성은 미국이 1963년 체결된 부분적 핵실험 금지 조약의 준수 여부를 감시할 목적으로 개발한 인공위성 시리즈이다.[2] 주요 임무는 우주 공간과 지구 대기권에서의 핵실험 탐지였다.
3. 벨라 위성의 기술적 특징
총 12기의 위성이 '벨라 호텔'(Vela Hotel)과 '어드밴스드 벨라'(Advanced Vela) 두 가지 모델로 제작되었다.[2] 초기 모델은 우주 공간 탐지에, 개량 모델은 대기권 탐지 기능까지 갖추었다. 이를 위해 X선, 중성자, 감마선 감지기 등 다양한 센서가 탑재되었으며, 특히 개량형에는 핵폭발 특유의 섬광을 포착하는 '방미터(bhangmeter)'와 전자기 펄스(EMP) 센서가 추가되었다.
위성들은 반 알렌 복사대의 영향을 피하고 넓은 감시 범위를 확보하기 위해 지구로부터 약 118000km 고도의 원궤도에 배치되었다.[1][2] 위성 개발은 샌디아 국립 연구소가, 제작은 TRW가 담당했으며,[2] 태양광 패널을 통해 작동에 필요한 전력을 얻었다.
3. 1. 핵실험 탐지 장비
초기 벨라 위성에는 외부 X선 감지기 12개와 내부 중성자 및 감마선 감지기 18개가 탑재되었으며, 90W급 태양광 패널로 작동했다.
개량형 벨라 위성에는 기존 감지기 외에 추가적인 장비가 탑재되었다. 1밀리초 미만의 시간 해상도로 빛의 세기 변화를 감지하는 실리콘 광다이오드 센서 두 개가 추가되었는데, 이는 '방미터(bhangmeter)'라고 불렸다. 방미터는 핵폭발 지점을 약 약 4828.02km 범위 내에서 특정할 수 있었다. 대기권 내 핵폭발은 특유의 '이중 섬광'(double flash) 신호(또는 '이중 융기 곡선')를 발생시킨다. 이는 약 1밀리초 동안 지속되는 짧고 강렬한 첫 번째 섬광 이후, 몇 분의 1초에서 수 초에 걸쳐 더 길고 덜 강렬한 두 번째 빛 방출이 나타나는 현상이다. 이 현상은 핵폭발로 생성된 초기 화구(fireball) 표면이 폭발 충격파에 의해 형성된 뜨겁고 팽창하는 이온화된 가스층에 의해 잠시 가려졌다가, 충격파가 팽창하며 식어 투명해지면서 내부의 더 밝은 화구가 다시 보이게 되기 때문에 발생한다. 이러한 독특한 이중 섬광 신호를 만들어내는 자연 현상은 알려진 바가 없다.[5][6][7] 비록 밝은 섬광을 내는 유성체가 우주선에 충돌하거나 지구 대기에서 강력한 번개(superbolt)가 발생하는 등, 이론적으로 유사한 이중 신호를 생성할 가능성이 제기되기도 했지만[5][6][7], 핵폭발의 이중 섬광과는 구분된다.
또한 개량형 위성에는 대기 중 핵폭발로 인해 발생하는 전자기 펄스(EMP)를 감지하는 센서도 탑재되었다. 이러한 추가 장비들로 인해 늘어난 전력 소모를 감당하기 위해, 개량형 벨라 위성에는 발전 용량이 120W로 향상된 태양광 패널이 장착되었다.
벨라 5A와 5B 위성에 탑재된 섬광 X선 검출기(XC)는 1mm 두께의 NaI(Tl) 섬광 결정체 두 개로 구성되었다. 각 결정체는 광전자 증배관에 연결되었고 0.13mm 두께의 베릴륨 창으로 덮여 있었으며, 3–12 keV와 6–12 keV의 두 에너지 채널을 제공했다.[11] 이 검출기는 최초로 보고된 X선 폭발(X-ray burst) 현상을 발견하고 발표하는 데 기여했으며[12], 각 결정체 앞에는 반치폭(FWHM) 약 6.1 × 6.1 도의 슬랫 시준기(slat collimator)가 장착되었다. 유효 검출 면적은 약 26cm2였다.[13] 검출기는 60초마다 하늘의 특정 대원을 스캔했으며, 56시간마다 하늘 전체를 관측했다.[13] 하지만 검출기 자체의 배경 잡음 수준이 높아, 게 성운과 같이 X선 대역에서 매우 밝은 천체 신호의 약 80%에 해당하는 잡음 때문에 천체 관측 감도는 상당히 제한되었다.[13] 벨라 5B 위성의 X선 검출기는 10년 이상 작동했다.
벨라 6A와 6B 위성은 1970년 4월 8일에 발사되었다. 이 위성들의 데이터는 감마선 폭발과 X선 현상 사이의 연관성을 연구하는 데 사용되었으며, GB720514와 GB740723 등 최소 두 개의 유력한 동시 발생 사례가 확인되었다. 벨라 6B의 X선 검출기는 1972년 1월 27일에, 벨라 6A의 X선 검출기는 1972년 3월 12일에 각각 고장났다.
우연히도 벨라 위성에 탑재된 이 핵실험 탐지 장비들은 우주에서 발생하는 감마선 폭발을 최초로 감지하는 성과를 거두기도 했다. 1967년 7월 2일에 관측된 첫 감마선 폭발은 GRB 670702로 명명되었다.
3. 2. 위성 설계 및 운용
총 12기의 벨라 위성이 제작되었으며, 초기 모델인 '벨라 호텔'(Vela Hotel) 6기와 개량 모델인 '어드밴스드 벨라'(Advanced Vela) 6기로 구성된다. 벨라 호텔 시리즈는 우주 공간에서의 핵실험을 탐지하기 위해 설계되었고, 어드밴스드 벨라 시리즈는 우주뿐만 아니라 대기권 내 핵폭발 탐지 기능까지 갖추었다.[2] 모든 위성은 미국의 샌디아 국립 연구소에서 개발하고 TRW에서 제작했다.
벨라 위성들은 반 알렌 복사대의 영향을 피하기 위해 매우 높은 고도인 약 118000km 궤도에 쌍으로 배치되었다.[1][2] 이 고도는 달까지 거리의 약 3분의 1에 해당한다.
초기 벨라 호텔 위성(발사 질량 150kg)은 외부에 12개의 X선 측정기와 내부에 18개의 중성자 및 감마선 측정기를 탑재했다. 전력은 90와트 발전 능력을 가진 태양 전지 패널로 공급받았다. 벨라 호텔의 설계 수명은 6개월이었으나, 실제로는 5년 이상 운용되었다.
어드밴스드 벨라 위성(발사 질량 231kg ~ 261kg)은 기존 장비에 더해, 대기권 핵폭발 탐지를 위한 추가 센서를 장착했다. 대표적인 것이 '뱅미터'(bhangmeterseng)라고 불리는 비이미지형 실리콘 포토 다이오드 센서 2개이다. 이 센서는 1000분의 1초 미만의 짧은 시간 동안 발생하는 빛의 강도 변화를 측정하여, 약 약 4828.02km 범위 내에서 핵폭발 위치를 특정할 수 있었다. 대기권 핵폭발은 특징적인 '이중 섬광'(double flash)을 나타내는데, 먼저 짧고 강한 섬광 후 길고 약한 섬광이 이어지는 형태이다. 이는 초기 화구가 충격파에 의해 가려졌다가 다시 보이는 현상으로, 자연 현상에서는 관측되지 않는다. 또한 대기권 핵폭발 시 발생하는 전자기 펄스(EMP)를 감지하는 센서도 탑재되었다. 늘어난 장비에 필요한 전력은 120와트 발전 용량의 태양 전지 패널로 충당했다. 어드밴스드 벨라의 초기 설계 수명은 18개월이었으나 이후 7년으로 연장되었고, 가장 오래 운용한 9호기(1969년 발사)는 약 15년 동안 작동하다 1984년에 임무를 종료했다.
벨라 위성은 본래 목적인 핵실험 감시 외에도, 1967년 7월 2일 우연히 최초의 감마선 폭발(GRB 670702)을 관측하는 과학적 성과를 거두기도 했다. 또한 1979년 9월 22일에는 벨라 6911호 위성이 남인도양 상공에서 핵실험으로 추정되는 이중 섬광을 탐지했는데, 이는 베라 사건으로 알려져 있다.
4. 주요 성과 및 사건
벨라 위성 프로그램은 본래의 핵 실험 금지 조약 감시 임무 외에도 중요한 과학적 발견과 논쟁적인 사건을 남겼다. 대표적인 성과로는 우주에서 발생하는 강력한 에너지 폭발 현상인 감마선 폭발(GRB)을 최초로 발견한 것이 있다. 이는 핵실험 감시 과정에서 우연히 이루어진 발견으로, 이후 천문학의 새로운 연구 분야를 열었다.
또한, 1979년에는 벨라 위성이 남인도양 상공에서 핵폭발 의심 신호를 탐지한 벨라 사건이 발생했다. 이 사건은 탐지된 신호의 정체를 두고 핵실험 의혹과 자연 현상 또는 기기 오류라는 주장이 맞서며 현재까지도 명확한 결론이 나지 않은 상태로 남아 있다.
4. 1. 감마선 폭발(GRB) 발견
감마선 폭발(GRB)은 1960년대 후반 벨라 인공위성에 의해 우연히 발견되었다. 벨라 위성의 주 임무는 핵 실험 금지 조약을 감시하여 우주나 대기권에서의 비밀 핵실험 징후를 포착하는 것이었으나, 정작 핵실험 징후는 찾지 못하고 대신 핵무기 폭발 신호와는 다른 특이한 섬광을 감지했다. 이 섬광은 지구상의 핵실험과는 무관하며, 깊은 우주 어딘가에서 오는 것처럼 보였다. 초기 벨라 위성에는 X선, 중성자, 감마선 감지기가 탑재되어 있었다.
최초의 감마선 폭발 관측은 1967년 7월 2일 14시 19분(UTC)에 이루어졌으며, 벨라 4호와 벨라 3호 위성이 이를 동시에 감지했다.[8] 이 사건은 GRB 670702로 명명되었다. 당시에는 이것이 무엇인지 확실하지 않았고 긴급한 사안으로 여겨지지 않아, 레이 클레베사델이 이끄는 로스앨러모스 국립 연구소 팀은 추가 조사를 위해 관련 데이터를 보관했다.
이후 더 발전된 벨라 위성들이 발사되면서 로스앨러모스 팀은 설명할 수 없는 감마선 폭발 사례들을 계속해서 수집했다. 여러 위성에 감마선이 도달하는 시간 차이를 분석하여, 연구팀은 16개 폭발의 대략적인 별의 위치를 추정할 수 있었고,[9] 이를 통해 폭발의 기원이 지구 혹은 태양이 아님을 명확히 밝혀냈다. 일부의 생각과는 달리, 이 발견 데이터는 기밀로 취급되지 않았다.[10]
수년간의 분석 끝에, 이 발견은 1973년 Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin|우주 기원의 감마선 폭발 관측eng이라는 제목으로 천체물리학 저널에 발표되었다.[9][18] 이 발표는 천문학계에 감마선 폭발이라는 새로운 천문 현상의 존재를 알리는 계기가 되었고, 이후 감마선 폭발에 대한 본격적인 과학 연구가 시작되었다. 감마선 폭발은 현재 우주에서 일어나는 가장 격렬한 사건 중 하나로 알려져 있다.
4. 2. 벨라 사건 (Vela Incident)
1979년 9월 22일, 벨라 5B 위성(벨라 10 또는 IRON 6911[14])이 남아프리카 공화국의 프린스 에드워드 제도 근처 남인도양 상공에서 핵폭발 시 나타나는 특징적인 이중 섬광(double flash)을 탐지했다. 이 사건은 벨라 사건으로 알려졌으며, 그 원인에 대해서는 여전히 명확하게 설명되지 않고 논란이 계속되고 있다.당시 미국의 지미 카터 대통령 행정부는 이 섬광을 이스라엘과 남아프리카 공화국이 비밀리에 공동으로 진행한 핵실험의 증거로 간주하기도 했다. 그러나 이후 카터 행정부가 임명한 과학 전문가 패널은 기밀 해제된 보고서를 통해 이 사건이 핵폭발이 아닐 가능성이 높다고 결론지었다. 다른 한편에서는 이 현상이 위성 탐지기에 영향을 미치는 자기권 현상이나 단순한 검출기 오류일 수 있다는 설명도 제기되었다. 실제로 미국 대통령 직속 특별 소위원회는 검출기 오류라고 결론 내린 바 있다.
하지만 미국 국방정보국(DIA)을 비롯한 일부 연구 기관에서는 이것이 남아프리카 공화국과 이스라엘의 공동 핵실험이었다고 꾸준히 주장해왔다. 핵폭발 이후 일반적으로 관측되는 방사성 낙진과 같은 다른 증거는 확인되지 않았으나, 2018년에 발표된 새로운 연구는 이 사건이 이스라엘이 실시한 핵실험일 가능성이 매우 높다는 주장을 뒷받침했다.[15][16] 이처럼 여러 가설과 주장이 제기되었지만, 벨라 사건의 정확한 원인은 현재까지도 불명확한 상태로 남아 있다.
5. 벨라 프로젝트의 의의 및 영향
벨라 프로젝트는 냉전 시대 미국이 소련 등 다른 국가들의 핵실험을 감시하기 위해 시작한 중요한 프로그램이었다. 특히 1963년 체결된 부분적 핵실험 금지 조약(PTBT)의 준수 여부를 우주 공간에서 확인하는 것이 핵심 목표였다. 벨라 위성들은 핵폭발 탐지를 위한 다양한 센서를 탑재하여 조약 감시 능력을 크게 향상시키는 데 기여했다.
이 프로젝트는 본래의 군사적, 정치적 목적 외에도 예상치 못한 중요한 과학적 발견을 이끌어냈다. 가장 대표적인 성과는 우주에서 발생하는 강력한 에너지 폭발 현상인 감마선 폭발(GRB)을 최초로 탐지한 것이다. 이는 벨라 프로젝트가 단순히 핵 감시 임무를 넘어, 천문학 및 우주 과학 분야의 발전에 크게 기여했음을 보여주는 중요한 사례이다.
5. 1. 과학적 발견 및 기술 발전
초기 벨라 위성에는 12개의 외부 X선 감지기와 18개의 내부 중성자 및 감마선 감지기가 장착되었다. 이 위성들은 90와트(W)를 생산하는 태양광 패널을 장착했다.
개량형 벨라 위성에는 1밀리초 미만의 간격으로 빛의 수준을 감시하는 '방미터'라고 불리는 두 개의 비이미징 실리콘 광다이오드 센서가 추가로 장착되었다. 이 센서는 핵폭발 지점을 약 3,000마일 이내로 특정할 수 있었다. 대기 중 핵폭발은 "이중 융기 곡선"이라는 고유한 신호를 생성하는데, 이는 약 1밀리초 동안 지속되는 짧고 강렬한 섬광과 그 뒤를 잇는 몇 분의 1초에서 몇 초에 걸친 훨씬 길고 덜 강렬한 빛 방출 현상이다. 이 효과는 초기 화구 표면이 이온화된 가스로 구성된 팽창하는 대기 충격파에 의해 빠르게 가려지기 때문에 발생한다. 충격파 자체도 상당한 빛을 내지만 불투명하여 훨씬 더 밝은 화구가 보이지 않게 막는다. 충격파가 팽창하며 냉각되어 투명해지면, 훨씬 더 뜨겁고 밝은 화구가 다시 관측된다.
Vela incident에서 발생했을 가능성이 제기된 것처럼, 밝은 섬광을 생성하는 우주선에 대한 유성체 충돌이나 지구 대기에서의 번개 슈퍼볼트 발생과 같은 매우 드문 자연적인 이중 사건을 기록할 수도 있다는 추측이 있었지만, 이러한 신호를 생성하는 것으로 알려진 자연 현상은 하나도 없다.[5][6][7]
또한, 벨라 위성에는 대기 폭발로 인한 전자기 펄스를 감지할 수 있는 센서도 장착되었다.
이러한 추가 장비는 더 많은 전력을 필요로 했고, 개량형 위성은 태양광 패널에서 생성된 120와트(W)를 소비했다.
우연히 벨라 위성은 우주 감마선 폭발(GRB)을 최초로 감지한 장치가 되었다. 1967년 7월 2일 14시 19분(UTC)에 벨라 4호와 벨라 3호 위성은 알려진 핵무기 신호와는 다른 감마선 섬광을 감지했다.[8] 당시에는 이것이 무엇인지 불확실했고 긴급한 사안으로 여겨지지 않았기 때문에, 레이 클레베사델이 이끄는 로스앨러모스 국립 연구소 팀은 추가 조사를 위해 데이터를 보관했다. 이후 더 발전된 장비를 갖춘 벨라 위성들이 발사되면서, 로스앨러모스 팀은 데이터에서 설명되지 않는 감마선 폭발을 계속해서 발견했다. 여러 위성에서 감지된 폭발 신호의 도달 시간 차이를 분석하여, 연구팀은 16개 폭발의 천구상 위치를 대략적으로 추정[9]했고, 이 폭발들이 지구 또는 태양에서 기원한 것이 아님을 확실히 배제할 수 있었다. 일반적인 인식과 달리 이 데이터는 기밀로 분류된 적이 없다.[10] 철저한 분석 끝에, 이 발견은 1973년 《천체물리학 저널》에 Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origineng (우주 기원의 감마선 폭발 관측)이라는 제목의 논문으로 발표되었다.[9] 이 발표는 천문학계에 감마선 폭발의 존재를 알리는 계기가 되었으며, 감마선 폭발은 현재 우주에서 가장 격렬한 현상 중 하나로 인식되고 있다.
참조
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2015-10-28
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[5]
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South Africa stops short of denying nuclear test
https://news.google.[...]
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논문
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A double-flash from the past and Israel's nuclear arsenal
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[18]
논문
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