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스피처 우주망원경

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목차

1. 개요

스피처 우주 망원경은 미국 항공우주국(NASA)의 대형 망원경 프로그램 중 하나로, 지구 대기권의 영향을 받지 않고 적외선 영역을 관측하기 위해 개발되었다. 챌린저 참사 이후 우주왕복선 발사 계획이 변경되어 델타 II 로켓으로 발사되었으며, 지구 추적 궤도를 채택하여 냉각 효율을 높였다. IRAC, IRS, MIPS의 세 가지 장비를 탑재하여 별과 행성, 은하 등 다양한 천체를 관측했다. 외계 행성의 빛을 직접 감지하고, TRAPPIST-1 주변의 지구 크기 행성을 발견하는 등 외계 행성 연구에 기여했으며, 별과 행성의 탄생, 은하의 구조 연구에도 중요한 역할을 했다. 2009년 냉각재 고갈로 웜 미션으로 전환되었고, 2020년 1월 30일 임무를 종료했다.

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스피처 우주망원경
개요
스피처 우주 망원경 상상도
스피처 우주 망원경 상상도
임무 유형적외선 우주 망원경
운영 기관NASA/JPL/칼텍
COSPAR ID2003-038A
SATCAT27871
웹사이트www.spitzer.caltech.edu
임무 기간계획: 2.5 ~ 5+년, 최종: 2003년 8월 25일 ~ 2020년 1월 30일
제작사록히드/볼 에어로스페이스
발사 질량950 kg
건조 질량884 kg
탑재 질량851.5 kg
전력427 W
발사
발사일2003년 8월 25일 05:35:39 UTC
발사체델타 II 7920H
발사장케이프 커내버럴 SLC-17B
서비스 시작2003년 12월 18일
궤도
폐기 방식지구 후행 궤도에서 작동 중단
작동 중단2020년 1월 30일
궤도 기준태양 중심
궤도 형태지구 후행
궤도 이심률0.011
궤도 근일점1.003 AU
궤도 원일점1.026 AU
궤도 경사1.13°
궤도 주기373.2일
궤도 시대2017년 3월 16일 00:00:00
궤도 최고점태양 방향
망원경
망원경 유형리치-크레티앙
망원경 구경0.85 m
망원경 초점 거리10.2 m
망원경 파장적외선, 3.6–160 μm
장비
IRAC적외선 배열 카메라
IRS적외선 분광기
MIPS스피처용 다중 대역 영상 광도계
프로그램
프로그램NASA 대관측선
이전 임무찬드라
휘장NASA-SpitzerTelescope-Logo.svg

2. 역사

1970년대 초반, 천문학자들은 지구 대기권 밖에서 적외선 관측을 수행할 수 있는 망원경 개발을 구상하기 시작했다. 초기에는 미국 항공우주국(NASA)의 우주왕복선을 활용하여 적외선 망원경을 싣고 대기권 밖으로 비행하는 방안이 고려되었다. 당시에는 우주왕복선이 매주 비행하며 최대 30일까지 체류할 수 있을 것으로 예상되었기 때문이다.

1979년 미국 국립과학아카데미 국립연구회의는 "1980년대의 우주 천문학 및 천체물리학 전략" 보고서에서 우주왕복선 적외선 망원경(SIRTF)을 우주왕복선이 싣는 기지인 스페이스랩에 설치할 두 가지 중요 장비 중 하나로 꼽았다. 이 보고서는 익스플로러 위성 및 우주왕복선 운용을 통해 극저온으로 냉각된 적외선 망원경을 장기간 궤도에 올려 연구할 수 있을 것으로 전망했다.

1983년 5월, NASA는 우주왕복선의 적재량 증가에 따라 적외선 망원경 계획이 가까워졌다고 발표했다. SIRTF는 우주왕복선과 함께 발사되어 스페이스랩의 일부로 관측하는 동안 우주 왕복선에 부착되어 있다가, 관측 후 지구로 귀환하여 재발사 준비를 할 예정이었다. 첫 비행은 1990년경으로 예상되었다.

1983년 1월 25일 발사된 적외선 천문 위성(IRAS)은 적외선 영역에서 천문 연구를 위한 최초의 인공위성으로, 앞으로의 연구 발전에 대한 기대를 높였다. 1983년 9월, NASA는 우주왕복선 적외선 망원경이 우주왕복선에서 벗어나 더 긴 기간 임무를 수행하는 가능성을 연구하기 시작했다. 1985년 STS-51-F에 실렸던 스페이스랩-2 임무는 우주왕복선 환경이 적외선 망원경에 적합하지 않다는 것을 보여주었다.[74][75]

망원경과 극저온실 등 주요 장비는 볼 에어로스페이스 & 테크놀로지 사가 개발했다. 기타 장비는 기업, 학교, 정부기관 등이 공동 개발했으며, 록히드 마틴이 조립했다. 임무는 캘리포니아 공과대학교의 제트 추진 연구소 및 스피처 과학 센터에서 관리했다.

스피처의 개략도:
'''A 광학''' : 1 - 이차 거울; 3 - 주 거울; 2 - 외부 쉘;
'''B 극저온 유지 장치''' : 4 - 기기; 10 - 헬륨 탱크;
'''C 서비스 모듈''' : 5 - 서비스 모듈 쉴드; 6 - 스타 트래커; 7 - 배터리; 8 - 고이득 안테나; 9 - 질소 탱크;
'''D 태양 전지판'''


스피처 우주 망원경은 궤도에 실린 적외선 관측 위성 중 가장 정교하게 만들어졌다. 반사 망원경 본체는 가볍고 튼튼한 베릴륨으로 구성되었으며, 적외선을 이용한 고정밀 관측을 위해 온도 관리에 많은 노력을 기울였다. 외부는 태양열을 차단하는 판으로 덮여 있으며, 망원경 본체는 액체 헬륨 냉각 기구로 5,500까지 냉각되었다. 또한, 열을 발생하는 지구 근처에서는 관측이 불가능하여, 지구의 태양 주회 궤도에 올려 지구에서 조금 떨어진 위치에서 지구를 따라가도록 배치했다.

2. 1. 개발 배경 및 초기 구상

1970년대 초, 천문학자들은 지구 대기권의 영향을 받지 않는 적외선 망원경의 필요성을 인식하기 시작했다. 1979년 미국 국립과학아카데미는 보고서를 통해 우주왕복선 적외선 망원경(SIRTF)을 우주왕복선에 탑재할 중요한 연구 장비로 제안했다.[16][17]

1983년 발사된 적외선 천문 위성(IRAS)은 적외선 천문학의 가능성을 보여주며 스피처 개발에 대한 기대를 높였다.[18][19] 초기에는 우주왕복선을 이용해 매주 비행하며 최대 30일까지 체류하는 방안이 구상되기도 했다. 그러나 1983년 9월, 미국 항공우주국(NASA)은 우주왕복선에서 분리되어 더 긴 기간 임무를 수행하는 방안을 연구하기 시작했다. 1985년의 STS-51-F 미션은 우주왕복선 환경이 적외선 망원경에 적합하지 않음을 확인시켜 주었다.

스피처 우주망원경은 원래 우주왕복선으로 발사될 계획이었으나, 1986년 챌린저 참사 이후 액체 수소/액체 산소를 사용하는 센타우르 상부단은 우주왕복선에서 사용이 금지되었다. 1990년대에 예산 문제로 여러 번 재설계가 이루어졌고, 최종적으로는 델타 II 로켓을 사용하게 되었다. 가장 중요한 재설계는 지구를 따라가는 궤도를 채택한 것이다. 이 궤도는 냉매인 헬륨의 양을 줄여 망원경을 더 작고 가볍게 만들 수 있게 해주었지만, 통신을 위해 심우주 통신망이 필요하게 되었다.[1]

2. 2. 우주왕복선 계획 및 챌린저 참사

스피처 우주망원경은 원래 우주왕복선을 이용하여 발사될 계획이었다. 그러나 1986년 챌린저 참사 이후, 액체 수소/액체 산소로 구성된 센타우르 상부단이 우주왕복선에서 사용 금지되면서 발사 계획이 변경되었다. 1990년대에는 예산 문제 등으로 인해 망원경 설계가 여러 차례 변경되었고, 결국 더 작은 델타 II 로켓을 사용하게 되었다.[74][75]

2. 3. 지구 추적 궤도 채택

스피처 우주 망원경은 지구를 따라가는 궤도(Earth-trailing orbit)를 채택하여 지구 복사열의 영향을 최소화하고 냉각 효율을 높였다.[1] 지구 근처 궤도에서 액체 헬륨(LHe) 온도를 필요로 하는 극저온 위성은 지구로부터 큰 열 부하를 받기 때문에 대량의 냉각재가 필요하다. 하지만 스피처는 위성을 지구에서 멀리 떨어진 태양 궤도에 배치함으로써 수동 냉각을 가능하게 했다. 태양 차폐막은 태양열로부터 우주선을 보호하고, 우주선의 먼 쪽은 열의 수동 복사를 강화하기 위해 검은색으로 칠했으며, 우주선 버스는 망원경으로부터 열적으로 격리되었다. 이러한 설계 덕분에 필요한 헬륨의 양을 대폭 줄여 더 작고 가벼운 망원경을 만들 수 있었다. 이 궤도는 망원경의 방향 조정은 쉽지만, 통신을 위해서는 심우주 통신망을 필요로 했다.

3. 장비

Cryogenic Telescope Assembly (CTA)


스피처 우주 망원경은 궤도에 실린 적외선 관측 위성 중 가장 정교하게 만들어진 것으로, 3개의 주요 관측 장비를 탑재하고 있었다.[28][29][30][31] 각 장비는 센서 냉각을 위해 액체 헬륨을 사용했으며, 헬륨이 소진된 이후에는 IRAC의 두 개 파장 대역만 사용 가능한 "웜 미션"이 진행되었다.

망원경 본체는 가볍고 튼튼한 베릴륨으로 구성되었고, 적외선 관측의 정밀도를 위해 온도 관리에 많은 노력을 기울였다. 외부는 태양열 차단판으로 덮여 있으며, 본체는 액체 헬륨 냉각 기구를 통해 5.5 켈빈까지 냉각되었다. 또한 지구 근처에서는 열 발생으로 인해 관측이 불가능하여, 지구의 태양 주회 궤도에서 지구를 따라가는 궤도에 배치되었다.

스피처는 별 형성, 항성, 행성, 은하 등 다양한 분야에서 중요한 발견을 이끌어냈다.[69]

주요 관측 장비는 다음과 같다:

  • '''IRAC (Infrared Array Camera|적외선 어레이 카메라영어)'''
  • '''IRS (InfraRed Spectrograph|적외선 분광기영어)'''
  • '''MIPS (Multiband Imaging Photometer for Spitzer|스피처용 다중 대역 영상 광도계영어)'''


2009년 5월 냉각재인 헬륨이 고갈되어 망원경 온도가 30켈빈까지 상승, "웜 미션"으로 전환되었다.[70] 온도 상승으로 망원경 자체가 적외선을 방출하여 가장 긴 파장 대역은 관측 불가능하게 되었으나, 이후에도 나머지 대역 관측은 계속되었다. 2020년 1월 30일 모든 운용이 종료되었다.[71]

3. 1. IRAC (Infrared Array Camera, 적외선 어레이 카메라)

IRAC (Infrared Array Camera|적외선 어레이 카메라영어)는 3.6 µm, 4.5 µm, 5.8 µm, 8 µm의 4개 파장에서 동시에 작동하는 적외선 카메라이다. 각 모듈은 256 × 256 픽셀의 검출기로 구성되어 있다. 단파장 검출기는 인듐안티몬으로 제작되었고, 장파장 검출기는 비소를 첨가한 실리콘으로 만들어졌다.[32] 주 책임자는 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 조반니 파지오였으며, 비행 하드웨어는 미국 항공우주국(NASA) 고다드 우주 비행 센터에서 제작했다.

3. 2. IRS (Infrared Spectrograph, 적외선 분광기)

IRS는 4개의 모듈로 이루어진 적외선 분광기이며, 각 모듈은 5.3-14 µm (저해상도), 10-19.5 µm (고해상도), 14-40 µm (저해상도), 19-37 µm (고해상도)의 파장을 검출한다.[33] 각 모듈은 128x128 픽셀의 검출기로 이루어져 있으며, 단파장용 검출기는 비소를 첨가한 실리콘을 이용해서, 장파장용 검출기는 안티몬을 첨가한 실리콘을 이용해 만들어졌다.[33] 주 책임자는 코넬 대학교의 제임스 R. 호크였으며, 비행 하드웨어는 볼 에어로스페이스에서 제작했다.[33]

분광 관측이 가능한 적외선 파장대는 다음과 같다.

파장대역
5.3 µm-14 µm
10 µm-19.5 µm
14 µm-40 µm
19 µm-37 µm


3. 3. MIPS (Multiband Imaging Photometer for Spitzer, 스피처용 다밴드 영상 광도계)

MIPS (Multiband Imaging Photometer for Spitzer|스피처용 다밴드 영상 광도계영어)는 원적외선 영역에서 관측을 수행하는 3개의 검출기 어레이로 구성되어 있다.[34] 각 검출기는 24 µm, 70 µm, 160 µm 파장에 대응하며, 픽셀 수는 아래 표와 같다.

파장픽셀 수
24 µm128 × 128
70 µm32 × 32
160 µm2 × 20



24 µm 검출기는 IRS 단파장 모듈과 동일하다.[34] 70 µm 및 160 µm 검출기는 모두 갈륨이 첨가된 저마늄으로 제작되었다.[34] 특히 160 µm 검출기는 각 픽셀에 기계적 스트레스를 가하여 밴드갭을 낮춰 장파장에 대한 민감도를 향상시켰다.[34]

4. 주요 관측 결과 및 업적

스피처 우주 망원경은 항성, 행성, 은하 등 다양한 천체를 적외선 영역으로 관측하여 이전에는 볼 수 없었던 우주의 모습을 드러내며 많은 중요한 발견을 했다.[69]

스피처 우주 망원경의 최초 영상은 망원경의 성능을 입증하기 위해 촬영되었으며, 별 탄생 장면, 먼지 은하, 행성 형성 원반 등을 포함했다.[76] 이후 스피처 우주 망원경은 정기적으로 관측 영상을 공개하며 많은 과학적 성과를 냈다.

세페우스자리 C & B 영역 – 스피처 우주 망원경 (2019년 5월 30일).


스피처의 최초 광선 IC 1396 이미지.


나선 성운, 파란색은 3.6~4.5마이크로미터의 적외선, 녹색은 5.8~8마이크로미터의 적외선, 빨간색은 24마이크로미터의 적외선을 나타낸다.


주요 관측 결과는 다음과 같다.

  • 외계 행성 관측: 2005년, 태양계 밖 행성인 HD 209458b와 TrES-1b에서 오는 빛을 직접 검출하여 외계 행성 연구에 중요한 이정표를 세웠다.[76] 이는 태양계 밖 행성을 최초로 직접 관측한 사례 중 하나이다.
  • 행성 충돌 관측: 2009년 8월, 젊은 별 주위에서 두 행성이 충돌하는 현상을 관측했다.[42]
  • 토성의 고리 발견: 2009년 10월, 토성의 거대한 고리인 포에베 고리를 발견했다.[43]
  • 가장 먼 은하 발견: 2016년, 당시 기준으로 가장 멀리 떨어진 은하인 GN-z11을 발견했다.[59][60]
  • TRAPPIST-1 행성계 발견: 2017년, TRAPPIST-1 항성 주위에서 7개의 지구 크기 행성을 발견하는 데 기여했다.[72]

4. 1. 외계 행성 탐색 및 특성 분석

스피처 우주 망원경은 외계 행성에서 방출되는 빛을 직접 관측하여 외계 행성 연구에 획기적인 기여를 했다.[76] 2005년에는 "뜨거운 목성"형 외계 행성인 HD 209458 b와 TrES-1b에서 오는 빛을 직접 포착하여, 외계 행성의 빛을 직접 감지한 최초의 사례 중 하나가 되었다.[38] 이전까지의 외계 행성 관측은 행성이 공전하는 별의 행동을 통해 간접적으로 이루어졌었다.

스피처 우주 망원경은 통과 측광법과 중력 마이크로렌즈 기술을 활용하여 외계 행성을 탐색하고 그 특성을 분석했다.[60] 2015년에는 지구에서 약 13000ly 떨어진 곳에 위치한 이름 없는 외계 행성을 마이크로렌즈를 사용하여 발견하기도 했다.[63]

TRAPPIST-1 행성계의 예술적 표현


2016년 9월부터 10월까지 스피처는 TRAPPIST-1 별 주위에서 7개의 행성을 발견하는데 중요한 역할을 수행했다.[64][65] 이 행성들은 모두 지구 크기 정도이며 암석형 행성일 가능성이 높다.[64] 발견된 행성 중 3개는 생명 가능 지대에 위치하여, 특정 조건 하에서 액체 물이 존재할 수 있음을 의미한다.[66] 스피처는 통과 방법을 통해 7개 행성의 크기를 측정하고, 내부 6개 행성의 질량과 밀도를 추정하는 데 기여했다.[64]

4. 2. 별과 행성의 탄생 연구

스피처 우주망원경은 별 탄생 영역(항성 형성 영역)과 원시 행성계 원반을 관측하여 별과 행성의 탄생 과정을 연구했다. 2004년에는 L1014에서 가장 젊은 별로 추정되는 천체를 발견했다.[76] 이 천체는 주변의 구름으로부터 기체와 먼지를 흡수하고 있는 항성 진화의 매우 초기 단계에 있는 젊은 항성으로 추정된다. 2005년 4월에는 Cohen-kuhi Tau/4의 원시 행성계 원반이 예상보다 작고 질량이 적다는 것을 밝혀냈다.[76] 이는 행성 생성 연구에 있어 새로운 지평을 열었다.

2011년 5월에는 원시별 HOPS-68에서 감람석 결정이 비처럼 내리는 현상을 관측했다.[53][54] 감람석 결정은 용암과 같은 고온에서 형성되지만, 원시별의 외부 붕괴 구름에서 발견되어 놀라움을 안겨주었다. 천문학자들은 어린 별에서 나오는 쌍극성 외류가 감람석 결정을 별 표면 근처에서 차가운 외부 구름으로 운반하고 있다고 추측한다.

4. 3. 은하 연구

2005년, 위스콘신 대학교 매디슨과 화이트워터의 천문학자들은 스피처 우주 망원경으로 400시간 동안 관측한 것을 바탕으로 우리 은하가 이전에 알려진 것보다 중심에 더 큰 막대 구조를 가지고 있다고 결론내렸다.[39]

이중 나선 성운의 인공 색상 이미지. 은하 중심에서 태양보다 1000배 큰 자기 비틀림에 의해 생성된 것으로 추정된다.


2006년 3월, 천문학자들은 우리 은하 중심 근처에 있는 이중 나선 성운을 발견했다고 보고했다. 이 성운은 이름처럼 이중 나선 모양으로 꼬여 있으며, 은하 중심의 초대질량 블랙홀에서 약 300광년, 지구에서 약 25,000광년 떨어진 가스 원반이 공전하면서 생성된 거대한 자기장의 증거로 여겨진다. 이 성운은 스피처 우주 망원경에 의해 발견되었으며, 2006년 3월 16일 네이처지에 발표되었다.

GLIMPSE(Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire)는 우리 은하 내부 영역 360°를 관측한 일련의 조사로, 우리 은하의 첫 대규모 적외선 지도를 제공했다.[44][45] 이 조사는 적외선 배열 카메라를 사용하여 4개의 서로 다른 파장에서 촬영된 2백만 개 이상의 스냅샷으로 구성된다.[46] 이 이미지들은 스피처 우주 망원경이 발사된 2003년부터 10년 동안 촬영되었다.[47]

MIPSGAL은 GLIMPSE를 보완하는 유사한 조사로, MIPS 기기의 24μm 및 70μm 채널을 사용하여 은하 원반의 248°를 관측했다.[48][49]

2008년 6월 3일, 과학자들은 미주리주 세인트루이스에서 열린 제212차 미국 천문학회 회의에서 80만 개 이상의 스냅샷을 연결하여 제작된 우리 은하의 가장 크고 상세한 적외선 사진을 공개했다.[50][51] 이 합성 조사는 현재 GLIMPSE/MIPSGAL 뷰어를 통해 볼 수 있다.[52]

적외선으로 촬영된 안드로메다 은하(M31)의 영상.


2016년 3월, 스피처 우주 망원경과 허블 우주 망원경을 사용하여 가장 멀리 떨어진 은하인 GN-z11을 발견했다는 보고가 있었다. 이 천체는 134억 년 전의 모습으로 관측되었다.[59][60]

4. 4. 기타 관측



2006년 3월, 천문학자들은 우리 은하 중심부 근처에서 80 광년 길이의 이중 나선 성운을 발견했다. 이는 DNA와 유사한 이중 나선 구조로 꼬여 있으며, 은하 중심의 초질량 블랙홀에서 300광년, 지구에서 25,000광년 떨어진 기체판의 자기장 유도 때문으로 추정된다. 이 성운은 스피처 우주 망원경으로 발견되어 2006년 3월 16일 네이처에 발표되었다.[77]

과학자들은 고온에서 형성되는 미세 규산염 결정이 태양계의 추운 환경에서 태어난 얼음 혜성에 어떻게 포함되었는지 오랫동안 궁금해했다. 이 결정은 태양계 형성 당시 가스와 먼지 혼합물인 비결정질 무정형 규산염 입자에서 시작되었을 것으로 추정된다. 혜성 와일드 2에서 입자를 포착한 스타더스트 탐사 결과, 대부분 입자가 1,000K 이상 고온에서 형성된 것으로 밝혀져 미스터리가 깊어졌다.

2009년 10월, 앤 J. 버비스처, 마이클 F. 스크루트스키, 더글러스 P. 해밀턴은 스피처 망원경으로 발견한 토성의 포에베 고리를 발표했다. 이 고리는 토성 반지름의 128~207배에 달하는 거대하고 희미한 물질 원반이다.[43]

5. 웜 미션 및 임무 종료

2009년 5월 15일, 스피처 우주망원경은 액체 헬륨 냉각재가 소진되어 원적외선 관측이 중단되었다. 그러나 IRAC 장비는 계속 사용되었으며, 3.6μm 및 4.5μm의 두 짧은 파장대에서만 작동했다. 이때 망원경의 평형 온도는 30,000 정도였으며, "스피처 웜 미션"으로 불리는 이 기간 동안에도 IRAC는 해당 파장에서 가치 있는 이미지를 계속 생성했다.[23]

2016년경, 임무 후반부에 스피처는 지구와의 거리와 궤도 형태 때문에 통신에 어려움을 겪었다. 우주선은 안테나를 지구로 향하게 하기 위해 극단적인 각도로 기울여야 했고,[60] 이로 인해 태양 전지판이 충분한 빛을 받지 못해 통신 시간이 2.5시간으로 제한되었다.[24]

2016년 10월 1일, 스피처는 'Beyond'라는 별칭의 년 연장 임무인 관측 주기 13을 시작했다. 이 연장 임무의 목표 중 하나는 제임스 웹 우주 망원경과 같은 적외선 망원경의 관측 후보를 식별하는 것이었다.[60]

'Beyond' 임무는 스피처가 궤도를 진행하면서 겪는 공학적 과제를 포함했다. 우주선이 태양으로부터 같은 궤도 경로를 따라 지구에서 멀어짐에 따라, 안테나는 지상국과 통신하기 위해 더 높은 각도를 가리켜야 했다. 이러한 각도 변화는 우주선의 태양 전지판이 더 적은 햇빛을 받는 동안, 우주선에 더 많은 태양열을 가했다.[60]

스피처 우주망원경은 2020년 1월 30일에 퇴역했다.[25] NASA는 골드스톤 심우주 통신 단지(GDSCC)를 통해 망원경에 안전 모드로 전환하라는 종료 신호를 보냈고,[26] 명령이 성공적으로 실행된 후 스피처 프로젝트 매니저 조셉 헌트가 공식적으로 임무 종료를 선언했다.[27]

참조

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