카시니-하위헌스
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1. 개요
카시니-하위헌스는 토성과 그 위성, 고리, 자기장에 대한 광범위한 조사를 목적으로 NASA와 ESA가 공동 개발한 탐사선 프로젝트이다. 1997년 발사되어 토성 궤도선인 카시니와 타이탄 탐사선인 호이겐스로 구성되었으며, 이탈리아-프랑스 천문학자 조반니 도메니코 카시니와 타이탄 발견자 크리스티안 호이겐스의 이름을 따 명명되었다. 주요 목표는 토성의 고리 구조, 위성 표면 성분과 지형, 자기권 구조, 대기층, 타이탄의 구름과 안개 변화, 표면 지도 제작 등을 조사하는 것이었다. 여러 차례 임무가 연장되어 2017년 토성 대기권 진입으로 임무가 종료될 때까지, 토성 시스템에 대한 다양한 과학적 데이터를 수집했다.
''카시니''호의 목표는 다음과 같다.
''카시니-호이겐스'' 탐사 계획은 1982년 유럽 과학 재단과 미국 국립 과학 아카데미가 미래 협력 임무를 논의하기 위해 실무 그룹을 결성하면서 시작되었다. 이 그룹에서 유럽 과학자들이 토성 궤도선과 타이탄 탐사선을 결합한 공동 임무를 제안했다. 1983년, NASA의 태양계 탐사 위원회는 이 제안을 NASA의 핵심 프로젝트로 권고했다. 이후 NASA와 유럽 우주국(ESA)은 1984년부터 1985년까지 공동 연구를 진행했다. 1987년, 미국의 우주 비행사 샐리 라이드는 영향력 있는 보고서 ''NASA의 리더십과 미국의 우주 미래''에서 ''카시니'' 임무를 긍정적으로 검토하고 승인했다.
카시니-하위헌스 프로젝트의 총 비용은 약 32.6억달러 (32억 6천만 달러)가 소요되었다.[16] 다른 자료에서는 약 34억달러 (34억 달러)로 언급되기도 하며, 이는 당시 행성 탐사 프로젝트 중 최대 규모에 해당한다.
2. 작명
카시니-하위헌스 미션은 두 가지 주요 요소로 구성되었다. 하나는 ASI/NASA에서 개발한 ''카시니'' 궤도선으로, 토성의 고리 분열과 위성 4개를 발견한 이탈리아계 천문학자 조반니 도메니코 카시니의 이름을 따서 명명되었다. 다른 하나는 ESA에서 개발한 ''호이겐스'' 탐사선으로, 타이탄을 발견한 네덜란드의 천문학자이자 수학자, 물리학자인 크리스티안 호이겐스의 이름을 따서 명명되었다.
미션 개발 초기에는 토성 궤도선 타이탄 탐사선(Saturn Orbiter Titan Probe, SOTP)이라고 불렸다.
3. 목적
4. 개발 및 제작
초기 라이드 보고서는 NASA 단독 임무를 구상했지만, 1988년 NASA의 우주 과학 및 응용 담당 부국장 렌 피스크는 ESA와의 공동 임무 아이디어를 다시 추진했다. 그는 ESA의 로저 보넷에게 서한을 보내 ESA가 여러 후보 중 ''카시니'' 임무를 선택하도록 강력히 제안하며, ESA가 동의하면 NASA가 즉시 임무에 참여할 것을 약속했다. 당시 NASA는 과거 협력 과정에서 유럽 측이 동등하게 대우받지 못했다고 느꼈던 점을 고려하여, 미국과 유럽 우주 프로그램 간의 관계 개선에 민감하게 반응했다. ''카시니-호이겐스'' 관계자들은 과학 및 기술적 이익을 공평하게 공유하겠다는 의지를 강조하며 협력 분위기를 조성하려 노력했다. 이러한 변화는 ESA가 NASA와 거리를 두며 소련과 협력을 강화하려는 움직임에 대한 경쟁 의식도 일부 작용했다. 결국 1988년 말, ESA는 ''카시니-호이겐스''를 다음 주요 임무로 선정했고, 이듬해 미국에서도 주요 예산을 확보했다.
이 국제 협력은 양측 우주 프로그램 관계 개선에 기여했을 뿐만 아니라, ''카시니-호이겐스''가 미국의 예산 삭감 압박에서 살아남는 데 결정적인 역할을 했다. 1992년과 1994년, 정치적인 이유로 프로젝트가 위기에 처했지만, NASA는 ESA가 이미 개발에 상당한 자금을 투입한 상황에서 프로젝트를 중단하는 것은 비합리적이며 외교적 마찰을 일으킬 수 있다고 미국 의회를 설득하는 데 성공했다. 1994년 이후 정치적 문제는 해결되었으나, 1997년 발사를 전후하여 탐사선에 탑재된 플루토늄 동력원에 대한 환경 영향 우려를 제기하는 시민 단체들의 항의와 소송이 이어지기도 했다.
미국과 유럽 16개국을 포함, 총 27개국 출신의 과학자들과 기술자들로 구성된 합동 팀이 탐사선의 설계, 제작, 비행, 데이터 수집을 책임졌다. NASA의 제트 추진 연구소(JPL)가 궤도선 조립과 전체 임무 관리를 맡았고, 유럽 우주 연구 기술 센터(ESTEC)는 ''호이겐스'' 탐사선 개발을 주도했다. ESTEC의 주 계약업체인 프랑스의 아에로스파시알사(현 탈레스 알레니아 스페이스)는 여러 유럽 국가에서 제작한 장비와 기기(미국에서 제공한 배터리 및 과학 기기 2개 포함)를 이용해 탐사선을 조립했다. 이탈리아 우주국(ASI)은 ''카시니'' 궤도선의 핵심 통신 장비인 고이득 안테나와 예비용 저이득 안테나, 그리고 합성 개구 레이다, 레이다 고도계, 복사계 기능이 통합된 소형 레이다, 전파 과학 서브시스템(RSS), 가시광선 채널 분광기(VIMS-V) 등을 제공했다. NASA는 VIMS의 적외선 부분과 주 전자 장비(프랑스 CNES에서 제공한 전자 서브 어셈블리 포함)를 공급했다.
원래 ''카시니-호이겐스''는 화성 궤도 너머의 장기 탐사를 위해 개발된 표준형 우주선 모델인 마리너 마크 II 시리즈의 두 번째 탐사선으로 계획되었다. 첫 번째는 혜성 랑데뷰 소행성 플라이바이(CRAF) 임무였다. 그러나 예산 문제로 NASA가 CRAF 개발을 중단하면서, ''카시니''는 마리너 마크 II 설계를 기반으로 하되 더욱 전문화된 형태로 개발되었고, 마리너 마크 II 시리즈 계획 자체는 취소되었다.
궤도선과 탐사선이 결합된 형태로는 포보스 1호 및 2호 화성 탐사선에 이어 세 번째로 발사된 대형 무인 행성 간 우주선이며, 성공적으로 발사된 것 중에서는 가장 복잡한 탐사선 중 하나로 꼽힌다.구분 내용 높이 6.8m 폭 약 4m 총 질량 (발사 시) 5600kg (추진체 3132kg 포함) 궤도선 질량 2150kg 호이겐스 탐사선 질량 350kg (궤도선 잔류 지원 장비 30kg 포함) 전자 부품 수 1,630개 전선 연결 수 22,000개 케이블 총 길이 14km 제어 컴퓨터 MIL-STD-1750A 기반 이중화 시스템 주 추진 시스템 R-4D 로켓 엔진 1기 (백업 1기 포함), 엔진당 추력 490N 총 델타-v 2352m/s 동력원 RTG 3기 (이산화 플루토늄 32.7kg 사용, 순수 플루토늄 28.3kg 포함) 호이겐스 동력원 화학 배터리 (독립 작동 시) 
탐사선에는 81개국 시민 616,400명 이상의 서명을 담은 DVD가 실렸다. ''카시니''의 총 개발 비용은 약 34억달러에 달했으며, 이는 당시 행성 탐사선으로는 상당한 규모였다. 이 때문에 ''카시니'' 이후 NASA는 디스커버리 계획과 같이 상대적으로 저예산의 경량 탐사선을 선호하는 경향을 보이게 되었다.
2017년 9월 임무 종료 시점까지 ''카시니'' 탐사선은 지구로부터 약 8.2AU에서 10.2AU 사이의 거리에서 토성을 공전했다. 이 거리 때문에 지구에서 보낸 무선 신호가 탐사선에 도달하거나 탐사선이 보낸 신호가 지구에 도착하는 데 68분에서 84분이 소요되었다. 따라서 지상 관제소는 실시간으로 탐사선을 조종할 수 없었고, 예상치 못한 문제가 발생하더라도 즉각적인 대응이 어려웠다. 문제가 발생하고 엔지니어의 대응 명령이 탐사선에 도달하기까지 최소 2시간 이상이 걸리는 상황이었다.
5. 예산
주요 비용 분담 내역은 다음과 같다:
세부 항목별 비용으로는 탐사선 계획 및 제작에 1.4억달러 (1억 4천만 달러), 임무 관제에 7040.000000000001만달러 (7040만 달러), 경로 설계에 540만달러 (540만 달러), 발사체에 4220만달러 (4220만 달러) 등이 사용되었다.[16]
카시니 프로젝트 이후, NASA는 디스커버리 계획과 같이 상대적으로 저예산과 경량화된 탐사선을 추진하는 경향을 보이게 되었다.
6. 역사
''카시니-하위헌스'' 탐사 계획의 기원은 1982년으로 거슬러 올라간다. 당시 유럽 과학 재단과 미국 국립 과학 아카데미는 미래 협력 임무를 조사하기 위해 실무 그룹을 결성했고, 두 명의 유럽 과학자가 토성 궤도선과 타이탄 탐사선을 결합한 공동 임무를 제안했다. 1983년, 미 항공우주국(NASA)의 태양계 탐사 위원회는 이 제안을 받아들여 토성 궤도선 및 타이탄 탐사선 프로젝트를 핵심 NASA 프로젝트로 권고했다. NASA와 유럽 우주국(ESA)은 1984년부터 1985년까지 공동 연구를 진행했지만, 실현 가능성이 낮다고 판단되어 각각 1985년과 1986년에 연구를 중단했다. 그러나 1987년, 미국의 저명한 과학자이자 우주비행사인 샐리 라이드가 자신의 보고서 "NASA의 리더십과 미국의 우주 미래"에서 카시니-하위헌스 프로젝트를 긍정적으로 검토하고 지지하면서 다시 주목받게 되었다.
샐리 라이드의 보고서는 카시니-하위헌스를 NASA 단독 임무로 구상했지만, 1988년 NASA의 우주 과학 및 응용 담당 부국장 랜 피스크는 다시 NASA와 ESA의 공동 임무 추진으로 방향을 틀었다. 그는 ESA의 동급 책임자인 로저 보넷에게 서한을 보내, 당시 ESA가 고려하던 세 가지 후보 임무 중 카시니-하위헌스를 선택하도록 강력히 권고하며 NASA의 전폭적인 협력을 약속했다.
당시 미국과 유럽의 우주 프로그램 사이에는 긴장감이 존재했는데, 이는 이전의 협력 과정에서 유럽 측이 NASA로부터 동등한 대우를 받지 못했다고 느꼈기 때문이다. 카시니-하위헌스 프로젝트를 추진한 NASA 관계자들은 이러한 분위기를 해소하기 위해 프로젝트를 통해 얻게 될 과학적, 기술적 성과를 ESA와 동등하게 공유하겠다는 의지를 강조했다. 또한, 소련(당시 러시아 연방우주국)과의 경쟁 속에서 ESA가 소련과 가까워지는 것을 견제하고 미국과의 관계를 강화하려는 의도도 있었다. 1988년 말, ESA는 카시니-하위헌스를 다음 주요 임무로 선정했고, 이듬해 미국에서도 예산이 확보되었다.
이러한 국제 협력은 양측 우주 기관의 관계 개선에 기여했을 뿐만 아니라, 카시니-하위헌스가 미국의 의회 예산 삭감 위기에서 살아남는 데 결정적인 역할을 했다. 1992년과 1994년, 프로젝트는 정치적인 공격을 받았지만, NASA는 ESA가 이미 상당한 자금을 투입하여 개발을 시작한 프로젝트를 중단할 경우 외교적으로 큰 파장을 일으킬 수 있다고 미국 의회를 설득하는 데 성공했다. 1994년 이후 정치적 논란은 수그러들었지만, 1997년 발사를 전후하여 일부 시민 단체들은 탐사선에 탑재된 플루토늄 전원으로 인한 환경 오염 가능성을 우려하며 발사 중단을 요구하는 시위와 소송을 제기하기도 했다.
카시니-하위헌스 프로젝트는 미국과 유럽 16개국 출신의 과학자들과 기술자들이 참여한 대규모 국제 협력 사업이었다. 미국의 제트 추진 연구소(JPL)가 궤도선 제작과 임무 전체 관리를 맡았고, 유럽 우주 연구 기술 센터(ESTEC)는 호이겐스 탐사선 개발을 주도했다. ESTEC의 주 계약업체인 프랑스의 아에로스파시알사(현재 탈레스 알레니아 스페이스)는 유럽 각국에서 제작된 장비들과 미국에서 제공된 배터리 및 과학 기기 2개를 조립하여 호이겐스 탐사선을 완성했다. 이탈리아 우주국(ASI)은 카시니 궤도선의 핵심 통신 장비인 고이득 안테나와 예비용 저이득 안테나, 그리고 합성 개구 레이다, 레이다 고도계, 복사계 기능이 통합된 레이다 장비, 전파 과학 서브시스템(RSS), 가시광선 채널 분광기(VIMS) 등을 제공했다. NASA는 VIMS의 적외선 부분과 주 전자 장비를 제공했으며, 이 장비에는 프랑스 국립우주연구센터(CNES)가 제공한 부품도 포함되었다.
카시니-하위헌스 임무는 두 가지 주요 구성 요소로 이루어졌다. 하나는 토성의 고리 분할과 4개의 위성을 발견한 이탈리아 천문학자 조반니 도메니코 카시니의 이름을 딴 ASI/NASA의 ''카시니'' 궤도선이고, 다른 하나는 토성의 가장 큰 위성 타이탄을 발견한 네덜란드 천문학자, 수학자, 물리학자인 크리스티안 호이겐스의 이름을 딴 ESA의 ''호이겐스'' 탐사선이다. 초기에는 마리너 마크 II 계획의 일부로, 또는 토성 궤도선 타이탄 탐사선(Saturn Orbiter Titan Probe, SOTP)으로 불리기도 했다. ''카시니-하위헌스''는 갈릴레오, 보이저, 바이킹 등과 함께 외행성 탐사를 위한 플래그십급 임무 중 하나였다.
''카시니'' 임무의 주요 과학 목표는 다음과 같다.
- 토성의 고리의 3차원 구조와 역학적 움직임 규명
- 토성 위성들의 표면 구성 성분 분석 및 각 천체의 지질학적 역사 규명
- 이아페투스 앞쪽 반구의 어두운 물질의 정체와 기원 규명
- 토성 자기권의 3차원 구조와 역학적 움직임 측정
- 구름층 높이에서 토성 대기의 역학적 움직임 연구
- 타이탄의 구름과 연무의 시간적 변화 연구
- 타이탄 표면의 상세 지도 제작
''카시니-하위헌스'' 탐사선은 1997년 10월 15일, 미국 플로리다주의 케이프커내버럴 공군 기지 제40발사대에서 미국 공군의 타이탄 IVB/켄타우루스 로켓에 실려 발사되었다. 발사체는 2단 타이탄 IV 추진 로켓과 2개의 고체 로켓 부스터, 켄타우루스 상단 로켓, 그리고 탐사선을 보호하는 페어링으로 구성되었다.
이 프로젝트에 투입된 총 비용은 약 32.599999999999994억달러에 달했다. 이 중 발사 전 개발 비용이 14억달러, 임무 운영 비용이 7.04억달러, 통신 및 추적 비용이 5400만달러, 발사체 비용이 4.22억달러였다. 전체 비용 중 미국이 26억달러(80%)를 부담했고, 유럽 우주국(ESA)이 5억달러(15%), 이탈리아 우주국(ASI)이 1.6억달러(5%)를 분담했다. (이 비용은 2000년 10월 기준이며, 이후 임무 연장에 따른 추가 비용과 물가 상승분은 포함되지 않았다.)
''카시니''의 초기 주 임무는 2008년 7월 30일에 완료되었다. 이후 임무는 2010년 6월까지 연장되었으며, 이 기간 동안의 임무는 '''카시니 이쿼녹스(춘분) 미션'''(Cassini Equinox Mission)으로 명명되었다. 이 연장 임무의 주 목적은 2009년 8월 토성의 춘분 시기에 토성계를 집중적으로 관측하는 것이었다.
2010년 2월 3일, NASA는 카시니 임무를 6년 반 더 연장하여 2017년 토성 북반구의 하지까지 운영한다고 발표했다. 이 추가 연장 임무는 '''카시니 솔스티스(계절) 미션'''(Cassini Solstice Mission)으로 불렸다. 이 기간 동안 카시니는 토성을 155회 더 공전하고, 타이탄에 54회, 얼음 위성 엔켈라두스에 11회 더 근접 비행하며 귀중한 데이터를 수집했다.
2017년, 카시니는 마지막 임무 단계에 돌입했다. 타이탄과의 근접 비행을 통해 중력 도움을 받아 궤도를 수정했고, 토성 구름 위 약 3000km 상공, 가장 안쪽 고리인 D링 안쪽을 통과하는 '그랜드 피날레' 궤도에 진입했다. 여러 차례 토성과 고리 사이를 통과하며 전례 없는 관측을 수행한 후, 2017년 9월 15일, 카시니는 계획대로 타이탄의 중력에 의해 마지막 궤도 수정을 거쳐 토성 대기권으로 돌입하여 불타 없어지면서 장대한 임무를 마감했다.[16]
7. 여정
카시니-하위헌스 탐사선은 1997년 10월 15일 미국 플로리다주 케이프 커내버럴 공군 기지의 LC40 발사대에서 타이탄 IV 로켓에 실려 발사되었다.
토성까지의 긴 여정을 위해 카시니는 여러 차례 스윙바이(플라이바이)를 이용해 속도를 높였다. 1998년 4월 26일과 1999년 6월 24일에는 금성을 이용한 스윙바이를 실시했다. 이를 통해 태양 중력에 의해 안쪽으로 끌려가던 탐사선은 목성과 화성 사이의 소행성대까지 나아갈 가속력을 얻었다.
1999년 8월 18일 03:38 UTC에는 지구를 이용한 스윙바이를 수행하며 목성으로 향하는 궤도에 진입했다. 이때 달에 377000km까지 근접하여 사진을 촬영하기도 했다.
2000년 1월 23일, 카시니는 소행성대를 통과하며 소행성 2685 마수르스키와 약 160만 킬로미터 거리에서 플라이바이하며 사진을 촬영했다. 이 관측을 통해 마수르스키의 지름은 약 15km에서 20km 사이로 추정되었다.
2000년 12월 30일, 카시니는 목성에 가장 가깝게 접근하여 약 6개월간의 플라이바이 탐사를 시작했다. 이 기간 동안 목성과 그 희미한 고리, 위성들의 사진 약 26,000장을 촬영했다. 특히, 목성 전체 모습을 담은 컬러 사진은 당시까지 촬영된 것 중 가장 선명했으며, 지름 60km 크기의 특징까지 구분할 수 있었다.
2001년 1월 1일에는 목성의 활화산 위성인 이오를 촬영했다. 목성 플라이바이의 주요 성과는 2003년 3월 6일 발표되었는데, 목성 대기 순환에 대한 새로운 이해를 제공했다. 이전까지 과학자들은 밝은 색 띠(존, zone)에서 상승 기류가, 어두운 색 띠(벨트, belt)에서 하강 기류가 발생한다고 생각했으나, 카시니의 고해상도 이미지는 어두운 띠에서 오히려 상승하는 폭풍 세포(storm cell)들이 집중적으로 나타남을 보여주었다. 또한, 목성 고리가 불규칙한 모양의 작은 입자들로 이루어져 있으며, 이 입자들은 운석이 목성의 작은 안쪽 위성들(메티스, 아드라스테아)과 충돌하면서 생성된 파편일 가능성이 제기되었다. 목성 북극 근처에서는 대적반 크기의 거대한 소용돌이치는 어두운 안개가 관측되기도 했다.
2004년 6월 30일, 카시니는 마침내 토성 궤도에 성공적으로 진입했다. 이후 토성과 그 위성, 고리에 대한 본격적인 탐사를 시작했다. 같은 해 8월 16일에는 새로운 위성 메토네와 팔레네의 발견을 발표했고, 9월에는 추가로 위성 후보 S/2004 S 3, S/2004 S 4, 폴리데우케스, S/2004 S 6 및 새로운 고리 R/2004 S1의 발견을 잇달아 공표했다.
2004년 12월 24일, 카시니는 함께 실려온 하위헌스를 타이탄을 향해 분리했다. 2005년 1월 14일, 하위헌스는 타이탄의 짙은 대기를 뚫고 표면에 성공적으로 착륙했으며, 작동을 멈추기 전까지 약 3시간 40분 동안 타이탄의 대기와 표면에 대한 귀중한 데이터를 카시니를 통해 지구로 전송했다.
카시니의 임무는 두 차례 연장되었다. 2008년 4월 15일에는 2010년 9월까지 임무가 연장되었고, 2010년 2월 3일에는 다시 2017년 5월까지 임무가 연장되었다.[3] 연장된 임무 기간 동안 카시니는 2009년 8월 11일 토성의 고리가 거의 보이지 않게 되는 '고리 소멸 현상'을 관측했고, 2013년 4월 29일에는 토성 북극에서 지구의 허리케인과 유사하지만 훨씬 거대한(지름 약 2000km)[4][5] 소용돌이를 발견했다. 2013년 7월 19일에는 토성 너머 약 14억 4천만 킬로미터 거리에서 지구를 촬영하는 특별한 이벤트(지구가 웃는 날)를 수행했다.[6]
2014년 4월 3일, NASA는 카시니 관측 데이터를 통해 토성의 위성 엔셀라두스의 남극 지역 얼음 표면 아래에 거대한 액체 상태의 물 바다가 존재한다는 강력한 증거를 발견했다고 발표했다.[7] 이는 엔셀라두스가 태양계 내에서 미생물이 존재할 가능성이 높은 장소 중 하나임을 시사하는 중요한 발견이었다.[8][9]
2014년 6월 30일, 카시니는 토성 궤도 진입 10주년을 맞았다. 이때 2016년부터 시작될 마지막 임무 단계인 그랜드 피날레(Grand Finale) 계획이 발표되었다. 이 마지막 임무에서 카시니는 토성 북극 상공을 지나 토성 본체와 가장 안쪽 고리 사이의 미탐사 영역을 22차례 통과하며 전례 없는 근접 관측을 수행하도록 계획되었다.[10]
2017년 4월 26일, 카시니는 인류의 탐사선으로는 최초로 토성과 그 고리 사이의 좁은 공간을 성공적으로 통과했다.[11][12] 여러 차례의 위험한 통과 임무를 성공적으로 수행한 카시니는 연료 고갈이 임박함에 따라 예정된 마지막 임무를 수행했다.
2017년 9월 15일 (한국 시간 19시 32분), 카시니는 계획된 대로 토성의 대기권으로 돌입하여 마찰열에 의해 불타 없어지면서 20년에 걸친 장대한 탐사 임무를 마쳤다.[13] 이러한 임무 종료 방식은 탐사선에 묻어 있을지 모르는 지구의 미생물이 토성의 위성, 특히 생명체 존재 가능성이 있는 타이탄이나 엔셀라두스를 오염시키는 것을 방지하기 위한 신중한 결정이었다.
8. 임무 연장
카시니-하위헌스는 주 임무를 성공적으로 마친 후, 탐사 성과를 바탕으로 여러 차례 임무가 연장되었다.
2008년 4월 16일, NASA는 카시니 프로젝트 관제를 위한 자금 지원을 2년 연장하기로 결정하고, 프로젝트 명칭을 '''카시니 이쿼녹스 미션'''(Cassini Equinox Missioneng)으로 변경했다. 이 연장 임무는 2008년 7월 30일부터 2010년 6월까지 진행되었으며, 주 목적은 2009년 8월 토성의 추분 시기에 토성계를 정밀 조사하는 것이었다.
2010년 2월 3일, NASA는 다시 한번 임무 연장을 발표하며 프로젝트 명칭을 '''카시니 솔스티스 미션'''(Cassini Solstice Missioneng)으로 변경했다.[3] 이 임무는 기존 계획보다 6년 반이 더 연장되어 2017년까지 이어졌으며, 토성 북반구의 여름철을 관측하는 것을 목표로 했다. 이 기간 동안 카시니는 토성을 155번 공전하고, 위성 타이탄과 54번, 엔셀라두스와 11번 근접 비행을 수행할 예정이었다.
2014년 6월 30일, 카시니의 토성 궤도 진입 10주년을 맞아 2016년부터 시작될 마지막 임무 단계인 '''그랜드 피날레'''(Grand Finaleeng) 계획이 발표되었다.[10] 이 임무는 토성 북극 상공을 통과하며 F고리 바로 바깥쪽을 반복적으로 도는 새로운 궤도에서 관측을 수행하는 것을 포함했다.[10]
그랜드 피날레 임무의 일환으로, 2017년 4월 26일 카시니는 인류 탐사선 역사상 최초로 토성과 가장 안쪽 고리 사이의 공간을 통과하는 데 성공했다.[11][12]
최종적으로 2017년 9월 15일, 카시니는 타이탄의 중력을 이용하여 궤도를 수정한 뒤 계획대로 토성 대기권으로 진입하여 연소하며 임무를 종료했다.[16][13] 이러한 임무 종료 방식은 탐사선에 존재할 가능성이 있는 지구의 미생물이 생명체 존재 가능성이 제기되는 토성의 위성(타이탄, 엔셀라두스)을 오염시키는 것을 방지하기 위한 조치였다.[13]
9. 임무 종료
카시니-하위헌스는 주임무를 마친 후 여러 차례 임무가 연장되었다. 2008년 4월 16일, NASA는 카시니 프로젝트 관제를 위한 자금 지원을 2년 연장하기로 결정하고, 프로젝트 명칭을 '카시니 이쿼녹스 미션'(Cassini Equinox Missioneng)으로 변경했다. 이 임무는 2010년 2월에 '카시니 솔스티스 미션'(Cassini Solstice Missioneng)으로 다시 한번 개명되며 연장되었다.
2010년 2월 3일, NASA는 토성 북반구의 여름철까지 임무를 수행할 '카시니 솔스티스 미션'을 발표했다. 이 결정으로 카시니의 임무는 6년 반 더 연장되어 2017년에 종료될 예정이었으며, 이 기간 동안 토성을 155번 공전하고 타이탄과 54번, 엔셀라두스와 11번 근접 비행하는 계획을 포함했다. 2017년에는 타이탄의 중력을 이용하여 카시니호의 궤도를 토성 표면으로 향하게 변경하고, 최종적으로 토성 대기권으로 진입시켜 임무를 종료할 계획이었다.[16]
2017년 4월, 카시니는 '그랜드 피날레'(Grand Finaleeng)라는 마지막 임무를 시작했다. 이 임무는 토성의 가장 안쪽 고리와 토성 대기 사이의 미탐사 지역을 22번 통과하는 것이었다.
2017년 9월 15일, 카시니는 '그랜드 피날레' 임무를 성공적으로 마치고 토성 대기권으로 진입했다. 마지막 순간까지 토성 대기권에 대한 귀중한 정보를 지구로 전송했으며, 약 약 653.39km 상공에서 마찰열로 인해 산화되어 토성의 일부가 되었다.[18][13] 이러한 방식의 임무 종료는 카시니 탐사선에 혹시 존재할지 모르는 지구의 미생물이 타이탄이나 엔셀라두스와 같이 생명체 존재 가능성이 있는 위성들을 오염시키는 것을 방지하기 위한 조치였다.
10. 주요 과학적 성과
2000년 12월 30일, 카시니는 목성에 가장 가깝게 근접하며 탐사를 수행했다. 약 6개월간의 플라이바이 동안 목성, 목성의 옅은 고리, 위성의 사진 약 26,000장을 촬영했다. 이때 촬영된 목성의 전면 색채 사진은 매우 선명하여 구분 가능한 가장 작은 물체의 지름이 60km 정도였다.
목성 플라이바이의 주요 성과는 다음과 같다.
- 목성 대기 순환: 기존에는 목성 대기의 하얀색 무늬에서 상승기류가 발생한다고 여겨졌으나, 카시니의 관측 결과 검은 무늬에서 상승하는 폭풍 세포(하얀색 구름)가 발견되었다. 이는 기존의 이해를 뒤집는 발견이었다. 또한, 북극 근처에서 대적반 크기의 소용돌이치는 고고도 어두운 안개가 관측되었다.
- 목성 고리의 본질: 목성 고리의 입자들은 구형이 아닌 불규칙한 모양을 가지며, 이는 운석이나 목성의 작은 위성들(메티스, 아드라스테아)과의 충돌로 생성된 파편일 것으로 추정된다.
- 일반 상대성 이론 검증: 목성 부근에서 일반 상대성 이론을 검증하는 실험을 성공적으로 재현했다. 태양 근처를 통과하는 전파가 그렇지 않은 경우보다 도달 시간이 더 오래 걸리는 것을 측정하여, 무거운 천체 주변의 시공간 왜곡에 대한 아인슈타인의 이론과 일치함을 확인했다.
카시니는 토성 궤도 진입 후 10년간 200만 번의 명령을 실행하고 514GB의 과학 데이터를 수집했으며, 토성의 위성 7개를 새로 발견하고 총 132번의 위성 플라이바이를 수행했다. 이 기간 동안 26개국 과학자들이 계획에 참여했으며 3,039건의 과학 논문이 발표되었다. 토성을 206회 공전하고 332,000장의 사진을 촬영했으며 291회의 엔진 분사를 실시했다.[14]
토성계 탐사를 통해 밝혀진 주요 과학적 성과는 다음과 같다.
- 호이겐스 탐사선을 타이탄에 성공적으로 착륙시켰다.
- 엔켈라두스 남극에서 얼음과 수증기를 분출하는 거대한 기둥을 발견하고, 이것이 활발한 지질 활동임을 확인했다.
- 토성의 고리가 매우 활발하고 역동적인 시스템임을 밝혀내 행성 형성 연구에 중요한 단서를 제공했다. 또한 고리의 수직 구조를 보여주는 이미지를 처음으로 획득했다.
- 타이탄이 지구처럼 액체 메탄과 에탄으로 이루어진 비, 강, 호수, 바다를 가진 세계임을 발견했다. 액체가 흘러간 흔적인 유로가 발견되었고, 대기에서 강우가 관측되어 태양계에서 지구 외에 유일하게 표면에 액체가 안정적으로 존재하는 천체임이 확인되었다.
- 타이탄의 농밀한 대기는 메탄이 분해되고 재결합하여 생성된 복잡한 탄화수소와 같은 유기 분자로 이루어져 있음을 밝혀냈다. 이는 전생물학적 화학 연구에 중요한 정보를 제공했으며, 타이탄의 메탄은 생물 기원이 아닐 가능성이 높다고 추정되었다.
- 2010년부터 2011년까지 토성 북반구에서 발생한 거대한 폭풍을 상세히 조사했다.
- 토성에서 방출되는 전파 패턴이 기존에 생각했던 토성 내부 핵의 자전 속도와 직접적인 관련이 없음을 확인했다.
- 이아페투스 표면의 밝고 어두운 부분이 극명하게 나뉘는 '이중 명암'의 원인을 규명했다.
- 토성 북극의 독특한 육각형 구름 패턴의 전체 모습을 처음으로 관측했으며, 토성의 양극에서 거대한 허리케인을 발견했다.
11. 탑재 장비
카시니-하위헌스 탐사선은 토성계의 복잡한 환경을 탐사하기 위해 다양한 종류의 과학 장비를 탑재했다. 이 프로젝트는 미국 NASA의 JPL이 궤도선 제작 및 전체 프로젝트 관리를 맡았고, ESA의 ESRTC가 하위헌스 탐사선의 개발 및 제작을 주도하는 등 유럽 16개국이 참여한 국제 협력으로 진행되었다. 프랑스의 에어로스파시알(현 탈레스 알레니아 스페이스)이 하위헌스 조립의 주 계약업체였다.
주요 참여 기관별 기여는 다음과 같다.
- ASI: 통신용 고이득 및 저이득 안테나, 레이다 시스템 일부, 전파 과학 부가 체계(RSS), 가시광선 분광기 등 주요 장비를 제공했다.[15]
- 미국: 궤도선 주 동력원, 적외선 분광기 등 핵심 장비를 제공했다.[15]
- CNES: 하위헌스 탐사선의 보조 동력원을 제공했다.[15]
탐사선의 핵심 제어 컴퓨터는 MIL-STD-1750A 명령 집합 아키텍처를 사용하는 이중화 시스템으로 구성되었으며, 주 추진 시스템은 R-4D 이중 추진제 로켓 엔진을 사용했다. 동력원으로는 RTG가 사용되었는데, 이는 32.7kg의 핵연료, 주로 이산화 플루토늄(순수 플루토늄 28.3kg 포함)을 이용해 전력을 생산했다. 하위헌스 탐사선은 분리 후 독립적인 임무 수행을 위해 화학 배터리를 사용했다.
11. 1. 광학 원격 감지 장비
카시니 탐사선에는 다양한 파장의 빛을 감지하여 토성과 그 주변 천체를 관측하는 여러 광학 장비가 탑재되었다.
- 복합 적외선 분광 광도계 (CIRS, Composite Infrared Spectrometer): 천체가 방출하는 열 복사를 측정하여 온도를 알아내고, 이를 통해 구성 물질을 분석한다.
- 이미징 과학 서브시스템 (ISS, Imaging Science Subsystem): 주로 가시광선 영역을 감지하는 두 개의 CCD 카메라를 사용하여 천체의 모습을 상세하게 촬영한다.
- 자외선 이미징 분광기 (UVIS, Ultraviolet Imaging Spectrograph): 자외선 파장을 분석하여 일반적인 카메라로는 볼 수 없는 가스의 분포와 종류를 파악한다.
- 가시・적외선 매핑 분광 광도계 (VIMS, Visible and Infrared Mapping Spectrometer): 가시광선과 적외선 영역의 빛을 동시에 분석하여 천체 표면의 물질 분포를 지도로 만든다.
11. 2. 장, 입자 및 파동 관련 장비
- '''카시니 플라즈마 분석기'''(CAPS): 입사하는 이온 입자의 운동 에너지, 이동 방향, 질량을 검출하는 장비이다.
- '''우주진 분석기'''(CDA): 장치에 들어오는 우주 먼지의 전하, 속도, 크기, 조성을 측정하는 장비이다.
- '''이온·중성 질량 분석기'''(INMS): 타이탄의 대기나 토성 주변에 있는 중성 분자 및 전하가 낮은 이온의 조성을 분석하는 질량 분석기이다.
- '''자력계'''(MAG): 토성의 자기장을 매우 민감하고 정밀하게 측정하는 자력계이다.
- '''자기권 이미징 장치'''(MIMI): 토성 주변의 하전 입자나 중성 분자를 관측하여 토성의 자기권을 영상화하는 장비이다.
- '''전파·플라즈마파 측정기'''(RPWS): 토성에서 나오는 전파와 플라즈마파를 측정하는 장비이다.
11. 3. 마이크로파 원격 감지 장비
참조
[1]
웹사이트
カッシーニ／ホイヘンス、地球スイングバイから10周年
https://moonstation.[...]
月探査情報ステーション
2009-08-20
[2]
웹사이트
Cassini-Huygens Mission Status Report
https://saturn.jpl.n[...]
NASA
2004-06-17
[3]
웹사이트
NASA Extends Cassini's Tour of Saturn, Continuing International Cooperation for World Class Science
http://www.jpl.nasa.[...]
NASA JPL
2010-02-03
[4]
뉴스
The Rose
https://www.jpl.nasa[...]
NASA
2013-04-29
[5]
뉴스
土星北極の巨大嵐、カッシーニが観測
https://natgeo.nikke[...]
ナショナルジオグラフィック
2013-05-02
[6]
뉴스
The Day the Earth Smiled: Sneak Preview
http://www.jpl.nasa.[...]
NASA
2013-07-22
[7]
웹사이트
Plumbs the Depths of the Enceladus Sea
http://www.sciencema[...]
サイエンス
2014-04-04
[8]
웹사이트
NASA Space Assets Detect Ocean inside Saturn Moon
http://www.jpl.nasa.[...]
2014-04-03
[9]
간행물
The Gravity Field and Interior Structure of Enceladus
http://www.sciencema[...]
2014-04-04
[10]
뉴스
Cassini Names Final Mission Phase Its 'Grand Finale'
http://saturn.jpl.na[...]
NASA JPL
2014-06-30
[11]
웹사이트
Cassini's Signal Detected After Dive Through Saturn's Rings
https://www.nasa.gov[...]
NASA
[12]
뉴스
カッシーニ、初めて土星の輪の内側に…NASA
https://web.archive.[...]
読売新聞
2017-05-01
[13]
웹사이트
Cassini End of Misson Timeline
https://saturn.jpl.n[...]
NASA
[14]
뉴스
Cassini Celebrates 10 Years Exploring Saturn
http://www.nasa.gov/[...]
NASA
2014-06-25
[15]
웹사이트
Cassini Orbiter | Spacecraft – Cassini Legacy: 1997-2017
https://saturn.jpl.n[...]
NASA
[16]
문서
카시니호를 포기하는 것은 다름아닌 토성계 보존을 위함이다. 카시니호에 서식하고 있을 수 있는 지구의 미생물에 의해 혹시라도 존재하고 있을지도 모르는 토성계의 생태계에 영향을 미칠 수 있다. 미 항공우주국은 이를 우려하여 임무를 완수한 탐사선을 행성의 대기권에 돌입시켜 불태워왔다.
[17]
URL
http://m.news.naver.[...]
[18]
웹인용
NASA at Saturn: Cassini's Grand Finale simulation
https://www.youtube.[...]
2017-04-04
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