제15호 과학위성 아스카

1. 개요

제15호 과학위성 아스카는 X선 천문학의 이미징, 넓은 통과대역, 분광 분해능, 그리고 유효 면적을 결합한 최초의 X선 천문 임무였다. CCD를 X선 천문학에 사용한 최초의 위성이기도 하며, 천체 물리학적 플라즈마의 X선 분광법 연구를 목적으로 4개의 X선 망원경과 여러 관측 장비를 탑재했다. 아스카는 8년 동안 2,000개 이상의 천체를 관측하여 퀘이사의 스펙트럼을 도출하고 우주 X선 배경의 기원을 밝히는 등, 1,000편 이상의 논문을 발표하는 성과를 거두었다. 2000년 자세 제어 상실로 과학 관측이 중단되었고, 2001년 대기권에 재진입했다.

2. 주요 특징

ASCA는 X선 천문학에서 이미징 능력과 넓은 통과대역, 우수한 분광 분해능, 그리고 큰 유효 면적을 결합한 최초의 X선 천문 임무였다. 또한 이 임무는 CCD를 X선 천문학에 사용한 최초의 위성이기도 했다. 이러한 특성으로 인해 ASCA의 주요 과학적 목적은 천체 물리학적 플라즈마의 X선 분광법, 특히 방출선과 흡수 가장자리와 같은 개별 특징의 분석이었다.

ASCA는 4개의 대형 X선 망원경을 탑재했다. 두 개의 망원경 초점에는 기체 이미징 분광기(GIS)가, 나머지 두 개에는 고체 이미징 분광기(SIS)가 위치해 있었다. GIS는 기체 이미징 신틸레이션 비례 계수기이며, 두 번째 일본의 X선 천문 임무인 텐마에 탑재된 GSPC를 기반으로 한다. 두 개의 동일한 전하 결합 소자(CCD) 카메라는 MIT, 오사카 대학교, ISAS의 하드웨어 팀에서 두 개의 SIS를 위해 제공했다.

아스카에는 다음과 같은 관측 장치가 탑재되었다.

* X선 망원경 (XRT)
* 촬상형 형광 비례 계수관 (Gas Imaging Spectrometer, GIS)
* X선 CCD 카메라 (Solid-State Imaging Spectrometer, SIS)

XRT는 금을 증착한 알루미늄의 포물면 박판을 동심원상으로 배열한 알루미늄-금 다중 박판식 반사 망원경이며, 직경은 1.2m이다. 아스카 발사 당시 가동 중이던 ESA의 X선 위성 ROSAT가 2.4keV 이하의 연 X선으로 관측을 수행한 데 비해, 아스카의 XRT가 관측 가능한 에너지 영역은 0.4-12keV로 훨씬 넓었다. XRT의 개발은 ISAS 및 나고야 대학과 NASA의 고다드 우주 비행 센터가 공동으로 수행했다. 수광 면적은 1keV일 때 1300cm², 7keV일 때 600cm²이며, 유효 초점 거리는 3.5m이다.

GIS는 X선으로 촬상을 수행하는 장치로, 은하단 등 시직경이 큰 천체에도 대응할 수 있는 넓은 수광 면적을 가진다.

SIS는 X선의 스펙트럼 관측 (분광)을 수행하는 장치이다. 수광 소자로서 X선 CCD 이미지 센서를 세계 최초로 채택하여 에너지 분해능이 높은 스펙트럼 관측을 가능하게 했다.

아스카에는 4대의 XRT가 탑재되었고, 2대에 GIS, 2대에 SIS가 장착되었다. 이를 통해 동일 천체의 촬상과 스펙트럼 분석을 동시에 수행할 수 있었다.

2.1. X선 망원경 (XRT)

아스카는 4개의 대형 X선 망원경(XRT)을 탑재했다. XRT는 금을 증착한 알루미늄 박판을 동심원상으로 배열한 알루미늄-금 다중 박판식 반사 망원경이며, 직경은 1.2m이다. ESA의 X선 위성 ROSAT가 2.4keV 이하의 연 X선으로 관측을 수행한 데 비해, 아스카의 XRT가 관측 가능한 에너지 영역은 0.4-12keV로 훨씬 넓었다. XRT의 개발은 ISAS 및 나고야 대학과 NASA의 고다드 우주 비행 센터가 공동으로 수행했다. 수광 면적은 1keV일 때 1300cm², 7keV일 때 600cm²이며, 유효 초점 거리는 3.5m이다.

2.2. 기체 이미징 분광기 (GIS)

ASCA의 4개의 대형 X선 망원경 중 두 개의 망원경 초점에는 기체 이미징 분광기(GIS)가 탑재되었다. GIS는 기체 이미징 신틸레이션 비례 계수기이며, 일본의 두 번째 X선 천문 임무인 텐마에 탑재된 GSPC를 기반으로 한다. GIS는 X선으로 촬상을 수행하는 장치로, 은하단 등 시직경이 큰 천체에도 대응할 수 있는 넓은 수광 면적을 가졌다.

2.3. 고체 이미징 분광기 (SIS)

ASCA의 나머지 두 망원경 초점에는 고체 이미징 분광기(SIS)가 탑재되었다. SIS는 X선 CCD 카메라를 사용하여, X선의 스펙트럼 관측(분광)을 수행하는 장치이다. SIS는 세계 최초로 X선 CCD 이미지 센서를 채택하여 에너지 분해능이 높은 스펙트럼 관측을 가능하게 했다. MIT, 오사카 대학교, ISAS의 하드웨어 팀에서 두 개의 SIS를 위해 두 개의 동일한 전하 결합 소자(CCD) 카메라를 제공했다.

3. 주요 관측 성과

아스카는 발사 후 2001년 대기권 돌입까지 8년 동안 총 2,000개 이상의 천체를 관측하여 방대한 성과를 거두었다.

아스카의 기기 감도는 멀리 떨어진 퀘이사의 상세하고 광대역 스펙트럼을 처음으로 도출할 수 있게 했다. 또한, 아스카의 기기 세트는 당시 우주 X선 배경을 구성하는 소스를 식별할 수 있는 최고의 기회를 제공했다.

3,000회 이상의 관측을 수행했으며, 지금까지 심사를 거친 학술지에 1,000편 이상의 논문을 게재했다. 아스카 기록 보관소는 향후 분석을 위한 상당한 양의 데이터를 포함하고 있다. 또한, 여러 국가의 과학자들이 아스카 데이터를 사용하여 이룬 성과를 되돌아볼 때 이 임무는 매우 성공적이라고 평가된다.

미국은 아스카의 과학적 탑재체에 상당한 기여를 했다. 그 대가로, 아스카 관측 시간의 40%가 미국 과학자들에게 제공되었다. (ISAS는 또한 호의로 ESA 과학자들에게 시간의 10%를 할애했다.) 또한, 모든 아스카 데이터는 적절한 기간(미국 데이터는 1년, 일본 데이터는 18개월)이 지난 후 공개되어 전 세계 과학자들에게 제공된다. 아스카의 설계는 X선 분광법에 최적화되었으며, 따라서 ROSAT(X선 이미징에 최적화됨) 및 RXTE(시간 연구에 최적화됨)를 보완했다. 마지막으로, 아스카의 결과는 가까운 별에서부터 우주에서 가장 멀리 떨어진 천체에 이르기까지 거의 전체 범위를 망라한다.

주요 성과는 다음과 같다.

*강착 원반

아스카는 거대 질량 블랙홀이 존재한다고 여겨지는 센타우루스자리의 활동 은하핵 MCG 6-30-5의 고분해능 스펙트럼 관측을 실시하여, 블랙홀을 둘러싼 강착 원반에서 방출된다고 생각되는 철의 특성 X선을 관측했다. 회전하는 강착 원반에서 방출되는 휘선은 시선 방향으로 멀어지는 물질과 가까워지는 물질로부터의 빛이 각각 도플러 효과를 받기 때문에 2개의 피크를 가진 스펙트럼으로 관측되지만, 회전 속도가 매우 큰 경우에는 상대론적 효과로 인해 2개의 피크의 높이가 비대칭이 될 것으로 예측된다. 아스카는 이 활동 은하핵의 스펙트럼이 이론과 잘 일치하는 비대칭 스펙트럼임을 밝혀냈다. 이는 강착 원반의 안쪽, 블랙홀에 매우 가까운 부분을 처음으로 X선으로 관측할 수 있었음을 시사한다.

*우주 X선 배경 복사 (CXB)

아스카는 2-10keV의 경 X선 영역에서 높은 감도의 측량 관측을 실시하여, 우주 X선 배경(CXB)의 상당 부분이 X선원으로부터의 방출 중첩으로 설명될 수 있음을 밝혀냈다. 우주에는 전천에 걸쳐 X선의 배경 복사(CXB)가 존재하며, 오랫동안 그 기원이 수수께끼였다. CXB의 스펙트럼은 에너지가 높은 경 X선을 많이 포함하기 때문에, 기존에 알려진 X선 천체에서 방출되는 비교적 낮은 에너지의 X선 중첩으로는 설명할 수 없었다. 아스카는 기존 위성의 10²배라는 높은 감도로 관측하여 CXB 전체 강도의 약 30%를 X선원 방출 중첩으로 특정했다.

*중간 질량 블랙홀

아스카는 1996년 큰곰자리의 별 생성 은하M82 관측을 통해, M82 중심에서 떨어진 위치에서 태양의 수백 배에서 1000배에 달하는 중간 질량의 블랙홀이 여러 개 존재한다는 증거를 발견했다. 블랙홀 질량과 관련하여, 항성 진화에 의해 만들어지는 항성 질량 규모의 블랙홀과 은하 중심에 존재하는 10^6-8 태양 질량의 초대질량 블랙홀 사이를 연결하는 중간 질량 블랙홀의 존재는 알려지지 않아 초대질량 블랙홀의 기원을 둘러싼 큰 수수께끼가 되어왔다. 이 발견은 초대질량 블랙홀이 더 작은 블랙홀의 합체를 통해 형성된다는 시나리오를 지지하는 증거로 여겨진다.

3.1. 강착 원반

아스카는 거대 질량 블랙홀이 존재한다고 여겨지는 센타우루스자리의 활동 은하핵 MCG 6-30-5의 고분해능 스펙트럼 관측을 실시하여, 블랙홀을 둘러싼 강착 원반에서 방출된다고 생각되는 철의 특성 X선을 관측했다. 회전하는 강착 원반에서 방출되는 휘선은 시선 방향으로 멀어지는 물질과 가까워지는 물질로부터의 빛이 각각 도플러 효과를 받기 때문에 2개의 피크를 가진 스펙트럼으로 관측되지만, 회전 속도가 매우 큰 경우에는 상대론적 효과로 인해 2개의 피크의 높이가 비대칭이 될 것으로 예측된다. 아스카는 이 활동 은하핵의 스펙트럼이 이론과 잘 일치하는 비대칭 스펙트럼임을 밝혀냈다. 이는 강착 원반의 안쪽, 블랙홀에 매우 가까운 부분을 처음으로 X선으로 관측할 수 있었음을 시사한다.

3.2. 우주 X선 배경 복사 (CXB)

아스카는 2-10keV의 경 X선 영역에서 높은 감도의 측량 관측을 실시하여, 우주 X선 배경(CXB)의 상당 부분이 X선원으로부터의 방출 중첩으로 설명될 수 있음을 밝혀냈다. 우주에는 전천에 걸쳐 X선의 배경 복사(CXB)가 존재하며, 오랫동안 그 기원이 수수께끼였다. CXB의 스펙트럼은 에너지가 높은 경 X선을 많이 포함하기 때문에, 기존에 알려진 X선 천체에서 방출되는 비교적 낮은 에너지의 X선 중첩으로는 설명할 수 없었다. 아스카는 기존 위성의 10²배라는 높은 감도로 관측하여 CXB 전체 강도의 약 30%를 X선원 방출 중첩으로 특정했다.

3.3. 중간 질량 블랙홀

아스카는 1996년 큰곰자리의 별 생성 은하M82 관측을 통해, M82 중심에서 떨어진 위치에서 태양의 수백 배에서 1000배에 달하는 중간 질량의 블랙홀이 여러 개 존재한다는 증거를 발견했다. 블랙홀 질량과 관련하여, 항성 진화에 의해 만들어지는 항성 질량 규모의 블랙홀과 은하 중심에 존재하는 10^6-8 태양 질량의 초대질량 블랙홀 사이를 연결하는 중간 질량 블랙홀의 존재는 알려지지 않아 초대질량 블랙홀의 기원을 둘러싼 큰 수수께끼가 되어왔다. 이 발견은 초대질량 블랙홀이 더 작은 블랙홀의 합체를 통해 형성된다는 시나리오를 지지하는 증거로 여겨진다.

4. 임무 종료

아스카의 임무는 7년 이상 성공적으로 수행되었으며, 2000년 7월 14일 지자기 폭풍 동안 자세 제어가 상실되면서 과학 관측이 중단되었다. 아스카는 궤도에서 8년 이상 운용된 후 2001년 3월 2일에 대기권으로 재진입했다.

5. 국제 협력