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케플러 우주망원경

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목차

1. 개요

케플러 우주 망원경은 NASA의 디스커버리 계획의 일환으로 개발된 외계 행성 탐사 임무였다. 2009년부터 2013년까지 운용되었으며, 2012년 반작용 휠 고장으로 인해 임무가 변경되어 K2 미션으로 연장되었다. 통과법을 사용하여 외계 행성을 탐지했으며, 2,711개의 외계 행성을 확인했다. 케플러는 지구 크기 행성의 존재를 확인하고, 생명체 거주 가능 구역 내의 행성을 발견하는 등 외계 행성 연구에 크게 기여했다. 2018년 연료 고갈로 인해 퇴역했지만, 후속 연구와 활용을 통해 외계 행성 발견은 계속 이어지고 있다.

2. 역사

케플러 우주 망원경은 NASA의 디스커버리 계획의 일부로, 비교적 저렴한 비용으로 과학 임무를 수행하도록 설계되었다. 망원경 건설 및 초기 운영은 NASA의 제트 추진 연구소가 관리했으며, 볼 에어로스페이스 & 테크놀로지스가 케플러 비행 시스템 개발을 담당했다. 에임스 연구 센터는 지상 시스템 개발, 2009년 12월 이후 미션 운영, 관측 데이터 분석을 담당했다.[252]

최초 운영은 3.5년으로 계획되었으나, 항성과 탐사선에서 발생하는 예상 이상의 노이즈로 인해 미션 목표를 모두 달성하기 위해서는 시간 연장이 필요했다. 2012년에는 미션이 2016년까지 연장될 예정이었다.[253] 그러나 2012년 7월 14일, 탐사선 방향 제어에 사용된 4개의 반작용 휠 중 하나가 고장났고, 미션 완료는 다른 모든 반작용 휠이 작동하는 경우에만 가능했다.[254] 2013년 5월 11일, 두 번째 반작용 휠이 고장나 관측 데이터 수집이 불가능해졌고, 미션을 계속하기가 어려워졌다.[255][256]

2013년 8월 15일, NASA는 고장난 두 개의 반작용 휠 수리를 포기한다고 발표했다. NASA는 우주 과학 커뮤니티에 남은 두 개의 작동하는 반작용 휠과 스러스터를 사용하여 외계 행성 탐사 가능성이 있는 대체 미션 계획을 제안하도록 요청했다.[257][258][259][260] 2013년 11월 18일, K2 "세컨드 라이트" 제안이 보고되었다. 이 제안에는 더 작고 어두운 적색 왜성 주위의 거주 가능한 행성을 감지할 수 있는 방법으로, 고장난 케플러를 이용하는 것이 포함된다.[261][456][457][458] 2014년 5월 16일, NASA는 K2 확장 미션 승인을 발표했다.[262]

2018년 10월 30일, 탐사선 연료 고갈 후, NASA는 망원경을 폐기한다고 발표했다.[275] 망원경은 같은 날 셧다운되었고, 9년간의 가동이 종료되었다. 케플러는 530,506개의 항성을 관측했고, 2,662개의 외계 행성을 발견했다.[276]

2. 1. 개발

케플러 우주 망원경은 NASA의 디스커버리 프로그램의 일환으로, 비교적 저렴한 비용으로 과학 임무를 수행하도록 설계되었다. 망원경의 제작과 초기 운영은 NASA의 제트 추진 연구소가 담당했고, 볼 에어로스페이스는 케플러 비행 시스템 개발을 맡았다.[12]

2006년 1월, NASA의 예산 삭감 및 구조 조정으로 인해 프로젝트 발사가 8개월 연기되었다.[59] 2006년 3월에는 재정 문제로 인해 추가로 4개월이 연기되었다.[59] 이 기간 동안 고이득 안테나는 비용과 복잡성을 줄이기 위해 짐벌을 사용하는 설계에서 우주선 프레임에 고정된 설계로 변경되었으며, 이로 인해 한 달에 하루의 관측 시간이 줄었다.[13]

케플러 내부 조감도


케플러 관측소는 2009년 3월 7일 03:49:57 (UTC)에 델타 II 로켓에 실려 플로리다주 케이프커내버럴 공군 기지에서 발사되었다.[60][4] 발사는 성공적이었고, 세 단계 모두 04:55 (UTC)에 완료되었다. 망원경 덮개는 2009년 4월 7일에 제거되었고, 최초 관측 이미지는 다음 날 촬영되었다.[61][62]

2009년 4월 20일, 케플러 과학팀은 초점 조정을 통해 과학적 성과가 크게 향상될 것이라고 발표했다.[63] 2009년 4월 23일에는 주 거울을 초점면으로 40 마이크로미터(1.6천분의 1인치) 이동시키고 주 거울을 0.0072도 기울여 초점을 최적화했다고 발표했다.[64]

2009년 5월 13일 00:01 (UTC), 케플러는 시운전 단계를 성공적으로 완료하고 본격적으로 외계 행성 탐사를 시작했다.[65][66]

2009년 6월 19일, 우주선은 처음으로 과학 데이터를 지구로 성공적으로 전송했다. 그러나 케플러는 6월 15일에 안전 모드에 진입했고, 7월 2일에도 두 번째 안전 모드 사건이 발생했다. 두 경우 모두 ''프로세서 재설정''이 원인이었다. 우주선은 7월 3일에 정상 작동을 재개했고, 6월 19일부터 수집된 과학 데이터는 당일 다운로드되었다.[67] 2009년 10월 14일, 이러한 안전 모드 사건의 원인은 RAD750 프로세서에 전력을 공급하는 저전압 전원 공급 장치로 밝혀졌다.[68] 2010년 1월 12일, 초점면의 한 부분이 이상 데이터를 전송하여 케플러의 42개 CCD 중 2개를 덮고 있는 초점면 MOD-3 모듈에 문제가 있음이 드러났다. 이 모듈은 "고장"으로 묘사되었지만, 커버리지는 여전히 과학적 목표를 초과했다.[69]

케플러는 한 달에 한 번 정도 약 12 기가바이트의 데이터를 지구로 전송했다.[70][71]

2. 2. 발사 및 초기 운영 (2009년 ~ 2013년)



케플러 관측소는 2009년 3월 7일 03:49:57 (UTC)에 델타 II 로켓에 실려 플로리다주 케이프커내버럴 공군 기지에서 발사되었다.[60][4] 발사는 성공적이었으며, 세 단계 모두 04:55 (UTC)에 완료되었다. 망원경의 덮개는 2009년 4월 7일에 제거되었고, 최초 관측 이미지는 다음 날 촬영되었다.[61][62]

2009년 4월 20일, 케플러 과학팀은 초점 조정을 더하면 과학적 성과가 극적으로 증가할 것이라고 발표했다.[63] 2009년 4월 23일, 주 거울을 초점면을 향해 40 마이크로미터 (1.6천분의 1인치) 이동시키고 주 거울을 0.0072도 기울여 초점을 성공적으로 최적화했다고 발표했다.[64]

2009년 5월 13일 00:01 (UTC)에 케플러는 시운전 단계를 성공적으로 완료하고 다른 별 주위의 행성 탐사를 시작했다.[65][66]

2009년 6월 19일, 우주선은 처음으로 과학 데이터를 지구로 성공적으로 전송했다. 케플러가 6월 15일에 안전 모드에 진입한 사실이 밝혀졌다. 두 번째 안전 모드 사건은 7월 2일에 발생했다. 두 경우 모두 ''프로세서 재설정''으로 인해 발생했다. 우주선은 7월 3일에 정상 작동을 재개했고, 6월 19일부터 수집된 과학 데이터가 그날 다운링크되었다.[67] 2009년 10월 14일, 이러한 안전 모드 사건의 원인은 RAD750 프로세서에 전력을 공급하는 저전압 전원 공급 장치로 밝혀졌다.[68]

2010년 1월 4일, 케플러 우주선으로부터 첫 결과가 도착했다. 이를 토대로 NASA는 다섯 개의 외계 행성을 발견했으며, 이들을 케플러-4b, 5b, 6b, 7b, 8b로 명명했다고 발표했다. 뜨거운 목성에 해당하는 이 행성들은 해왕성과 비슷한 크기에서부터 목성보다 큰 것까지 다양한 크기를 지니고 있으며, 온도가 1204°C~1648°C에 이르고 3.3일~4.9일의 궤도 주기를 가지고 있다.[515]

2010년 1월 12일, 초점면의 한 부분이 이상 데이터를 전송하여 케플러의 42개 CCD 중 2개를 덮고 있는 초점면 MOD-3 모듈에 문제가 있음을 시사했다. 이 모듈은 "고장"으로 묘사되었지만, 커버리지는 여전히 과학적 목표를 초과했다.[69]

케플러는 한 달에 한 번 정도 약 12 기가바이트의 데이터를 다운링크했다.[70][71]

2012년 7월 14일, 우주선을 정렬하는 데 사용되는 네 개의 반작용 휠 중 하나가 작동을 멈추었고, 다른 세 개가 모두 신뢰할 수 있는 상태로 유지되어야만 임무 완수가 가능해졌다.[16] 그 후 2013년 5월 11일, 두 번째 반작용 휠이 고장나면서 과학 데이터 수집이 불가능해졌고,[17] 임무 지속에 위협이 가해졌다.[18]

2013년 4월 케플러-62에서 다섯개의 외계 행성을 찾았다.

2013년 5월 15일 NASA는 케플러 망원경의 방향을 통제하는 휠 4개 중 2개가 분실됐다며 기술자들이 해결책을 찾기 위해 노력 중이라고 밝혔다.[516]

2013년 8월 15일, NASA는 고장난 두 개의 반작용 휠을 수리하려는 시도를 포기했다고 발표했다. 이는 현재 임무를 수정해야 함을 의미했지만, 행성 탐사가 반드시 종료되는 것을 의미하지는 않았다. NASA는 우주 과학계에 "남은 두 개의 정상적인 반작용 휠과 추력기를 사용하여 외계 행성 탐사를 포함할 수 있는" 대체 임무 계획을 제안하도록 요청했다.[19][20][21][22]

2. 3. K2 임무 (2014년 ~ 2018년)

2013년 8월 15일, NASA는 고장난 두 개의 반작용 휠을 수리하려는 시도를 포기한다고 발표했다.[19][20][21][22] 이는 행성 탐사가 반드시 종료되는 것을 의미하지는 않았고, NASA는 우주 과학계에 "남은 두 개의 정상적인 반작용 휠과 추력기를 사용하여 외계 행성 탐사를 포함할 수 있는" 대체 임무 계획을 제안하도록 요청했다.[19][20][21][22] 2013년 11월 18일, K2 "세컨드 라이트" 제안이 보고되었다.[23][103][104][105] 여기에는 고장난 케플러를 소형의 어두운 적색 왜성 주변의 생명체 거주 가능 행성을 탐지할 수 있는 방식으로 활용하는 것이 포함되었다.[23][103][104][105] 2014년 5월 16일, NASA는 K2 연장 승인을 발표했다.[24]

K2 임무는 초신성, 별 형성, 태양계의 소행성과 혜성과 같은 천체를 연구하고 더 많은 외계 행성을 찾고 연구하기 위한 데이터를 수집하는 새로운 임무였다.[513][103][104][106] 케플러는 궤도장반경 1.01319AU, 궤도이심율 0.03188, 공전주기 372.5일로 지구를 뒤따라서 태양 주위를 돌고 있는데, 연장 임무에서는 남아 있는 두 개의 반작용 휠을 정상 작동시키고 나머지 1개 휠은 태양의 중력을 사용한다. 태양을 하나의 반작용 휠로 쓰는 임무가 K2 임무이다.[518] K2 미션에 의해 감지된 외계 행성, 별 등을 포함한 천체는 EPIC 약어와 관련될 것이며, 이는 황도면 입력 목록을 의미한다.

2014년 초, 우주선은 K2 미션을 위한 성공적인 테스트를 거쳤다.[108] 2014년 3월부터 5월까지, 필드 0이라고 불리는 새로운 영역의 데이터가 테스트 실행으로 수집되었다.[109] 2014년 5월 16일, NASA는 케플러 미션을 K2 미션으로 연장하는 것을 승인했다고 발표했다.[24] 2014년 2월, 2휠, 정밀한 지점 정밀도 작동을 사용한 K2 미션의 광도 측정 정밀도는 6.5시간 적분 동안 12등급 별에서 4,400만 분율로 측정되었다. NASA의 이러한 측정 분석 결과, K2 광도 측정 정밀도는 3휠, 정밀한 지점 정밀도 데이터의 케플러 보관소의 정밀도에 근접하는 것으로 나타났다.[111]

2014년 5월 29일, 캠페인 필드 0~13이 보고되고 자세히 설명되었다.[190] K2 미션의 필드 1은 하늘의 사자자리-처녀자리 영역을 향하고 있으며, 필드 2는 전갈자리의 "머리" 영역을 향하고 있으며, 메시에 4와 메시에 80을 포함하고 있으며,[112] 약 1,100만 년 밖에 안 된 전갈자리-켄타우루스자리 성협의 일부이며[113] 약 에서 떨어져 있으며[114] 1,000명 이상의 구성원을 가지고 있다.[115]

2014년 12월 18일, NASA는 K2 미션이 첫 번째 확인된 외계 행성인 슈퍼 지구 HIP 116454 b를 감지했다고 발표했다. 그 징후는 우주선을 전체 ''K2'' 미션을 준비하기 위한 엔지니어링 데이터 세트에서 발견되었다. 행성의 단일 통과만 감지되었기 때문에 방사형 속도 후속 관측이 필요했다.[116]

2016년 4월 7일 예정된 연락 중 케플러는 가장 낮은 작동 모드이자 가장 연료 소모가 많은 모드인 비상 모드로 작동하는 것으로 확인되었다. 미션 운영은 우주선 비상 사태를 선언했으며, 이로 인해 NASA의 심우주 네트워크에 우선적으로 접근할 수 있었다.[117][118] 4월 8일 저녁까지 우주선은 안전 모드로 업그레이드되었으며, 4월 10일에는 지점 휴식 상태로 전환되었다.[119] 이는 정상적인 통신을 제공하고 연료 소모가 가장 적은 안정적인 모드이다.[117] 당시 비상 사태의 원인은 알려지지 않았지만, 케플러의 반응 휠 또는 ''K2'' 캠페인 9를 지원하기 위한 계획된 기동이 원인이라고는 생각되지 않았다. 운영자는 우주선에서 엔지니어링 데이터를 다운로드하고 분석했으며, 정상적인 과학 작동으로 복귀하는 것을 우선시했다.[117][120] 케플러는 4월 22일에 과학 모드로 복귀했다.[121] 이 비상 사태로 인해 캠페인 9의 전반부가 2주 단축되었다.[122]

2016년 6월, NASA는 2018년 온보드 연료의 예상 소진 이후 3년 더 K2 미션 연장을 발표했다.[123] 2018년 8월, NASA는 우주선을 절전 모드에서 깨우고, 조향 성능을 저하시킨 추력기 문제를 해결하기 위해 수정된 구성을 적용했으며, 19번째 관측 캠페인을 위한 과학 데이터를 수집하기 시작하여 온보드 연료가 아직 완전히 소모되지 않았음을 발견했다.[124]

3. 케플러 우주 망원경의 구조

아스트로테크 위험물 처리 시설에 있는 케플러


케플러의 대화형 3D 모델


케플러 우주망원경은 1039kg의 질량을 가지며, 0.95m 전면 보정판(렌즈)이 있는 슈미트 카메라와 1.4m 주경을 갖추고 있다. 발사 당시 지구 궤도 밖 망원경 중 가장 큰 거울이었으나,[40] 몇 달 후 허셜 우주 관측소에 의해 기록이 경신되었다.

망원경의 시야(FoV)는 115 deg2(약 12도 지름)로, 팔을 뻗었을 때 주먹 크기와 거의 같다. 이 중 105 deg2는 과학적 관측에 사용되며, 비네팅은 11% 미만이다. 광도계는 선명한 이미지 대신 뛰어난 광도 측정을 위해 소프트 포커스를 사용한다.

케플러의 이미지 센서 배열. 배열은 페츠발 시야 만곡을 고려하여 곡면으로 제작되었다.


케플러 우주선의 카메라 초점면은 2200×1024 픽셀 크기의 42개 CCD로 구성되어 있으며, 총 해상도는 94.6 메가픽셀이다.[49][41] 이는 발사 당시 우주에서 가장 큰 카메라 시스템이었다.[14] 이 배열은 외부 방열기에 연결된 히트 파이프로 냉각된다.[1] CCD는 6.5초마다 판독되며(채도 제한), 짧은 주기 목표는 58.89초, 긴 주기 목표는 1765.5초(29.4분) 동안 온보드에서 합산된다.[42] 긴 주기의 경우 대역폭 요구 사항이 더 커서 170,000개로 제한된 반면, 짧은 주기는 512개로 제한되었다.

발사 당시 케플러는 NASA 임무 중 가장 높은 데이터 전송률을 기록했지만, 9,500만 픽셀의 29분 합계 데이터는 저장 및 전송 가능한 양보다 많았다. 따라서 과학팀은 각 관심 별과 관련된 픽셀(약 6%, 540만 픽셀)을 미리 선택했다. 이 픽셀 데이터는 다른 보조 데이터와 함께 재양자화, 압축되어 온보드 16기가바이트 솔리드 스테이트 레코더에 저장되었다. 저장 및 다운링크된 데이터에는 과학 별, p-모드 별, 스미어, 블랙 레벨, 배경 및 전체 시야 이미지가 포함된다.[1][43]

케플러는 정밀한 자세 제어를 위해 4개의 반작용 휠을 사용했다. 그러나 2012년 7월 그 중 하나(휠 2)가 고장났고,[57] 2013년 5월 11일 두 번째 휠(휠 4)마저 고장나면서 케플러의 주 임무가 종료되었다.[516][517]

3. 1. 주경

케플러의 주경은 지름이 1.4m이다. 코닝에서 초저팽창(ULE) 유리를 사용하여 제작되었으며, 동일한 크기의 고체 거울보다 질량이 14%에 불과하도록 특별히 설계되었다.[44][45] 비교적 작은 행성이 별 앞을 지나갈 때 이를 감지할 수 있을 정도로 충분한 감도를 가진 우주 망원경 시스템을 생산하기 위해 주경에 매우 높은 반사율 코팅이 필요했다. 이온 보조 증착법을 사용하여 Surface Optics Corp.는 반사를 강화하기 위해 보호용 9층 은 코팅을 적용하고, 색 중심의 형성과 대기 중 수분 흡수를 최소화하기 위해 유전체 간섭 코팅을 적용했다.[46][47]

케플러 우주 망원경(화면 왼쪽 하단)과 다른 주요 광학 망원경의 주경 크기 비교

3. 2. 카메라 (광도계)

Kepler영어 우주선의 카메라는 초점면에 2200×1024 픽셀을 갖춘 50xx 크기의 42개 CCD로 구성되어 있으며, 총 해상도는 94.6 메가픽셀이다.[49][41] 이는 발사 당시 우주에서 가장 큰 카메라 시스템이었다.[14] 이 배열은 외부 방열기에 연결된 히트 파이프로 냉각되었다.[1]

CCD는 6.5초마다 판독되었으며(채도를 제한하기 위해), 짧은 주기의 목표를 위해 58.89초, 긴 주기의 목표를 위해 1765.5초(29.4분) 동안 온보드에서 합산되었다.[42] 전자의 대역폭 요구 사항이 더 크기 때문에, 긴 주기의 경우 170,000개에 비해 512개로 제한되었다. 그러나 발사 당시 Kepler영어는 NASA 임무 중 가장 높은 데이터 전송률을 기록했음에도 불구하고, 9,500만 픽셀의 29분 합계는 저장하고 지구로 다시 보낼 수 있는 데이터보다 더 많았다. 따라서 과학팀은 각 관심 별과 관련된 관련 픽셀을 미리 선택했으며, 이는 픽셀의 약 6% (540만 픽셀)에 해당한다. 이 픽셀의 데이터는 다른 보조 데이터와 함께 재양자화, 압축 및 온보드 16기가바이트 솔리드 스테이트 레코더에 저장되었다. 저장 및 다운링크된 데이터에는 과학 별, p-모드 별, 스미어, 블랙 레벨, 배경 및 전체 시야 이미지가 포함된다.[1][43]

3. 3. 반작용 휠

2012년 7월, 케플러 우주선의 정밀한 자세 제어에 사용되는 4개의 반작용 휠 중 하나(휠 2)가 고장났다.[57] 케플러가 망원경을 정확하게 조준하기 위해서는 3개의 반작용 휠이 필요했지만, 2013년 5월 11일, 두 번째 휠(휠 4)마저 고장나면서 케플러의 주 임무는 종료되었다.[516][517]

2013년 1월에 몇 가지 문제가 발생한 후, 두 번째 반작용 휠이 2013년 5월 11일에 고장나면서 케플러의 주 임무가 종료되었다. 우주선은 안전 모드로 전환되었고, 2013년 6월부터 8월까지 고장난 휠을 복구하기 위한 일련의 엔지니어링 테스트가 수행되었다. 2013년 8월 15일까지 휠을 복구할 수 없다는 결론이 내려졌다.[19][20][21]

7월 18일과 22일에 각각 반작용 휠 4와 2를 테스트했는데, 휠 4는 시계 반대 방향으로만 회전했고, 휠 2는 양방향으로 회전했지만 마찰 수준이 상당히 높았다.[99] 7월 25일 휠 4에 대한 추가 테스트에서 양방향 회전에 성공했다.[100] 그러나 두 휠 모두 사용하기에 너무 많은 마찰을 보였다.[21]

결국, 2013년 8월 15일 미국 항공우주국(NASA)은 망원경을 정상가동하기 위해서는 반작용 휠 3개가 필요하지만 4개 중 2개의 휠이 고장나면서 선체 제어가 불가능하다고 판단, 3개월에 걸친 복구시도를 중단했다.[517] NASA는 케플러의 남은 기능을 다른 과학 임무에 활용하기 위한 제안을 요청했고, 이러한 노력은 결국 황도 근처의 다른 영역을 관측하는 "K2" 후속 임무로 이어졌다.[518]

3. 4. 기타 장비

망원경의 질량은 1039kg이며, 0.95m 전면 보정판(렌즈)이 있는 슈미트 카메라와 1.4m 주 거울을 가지고 있다. 발사 당시에는 지구 궤도 밖의 어떤 망원경보다 큰 거울이었지만,[40] 몇 달 후 허셜 우주 관측소가 이 기록을 깼다. 망원경은 115 deg2(약 12도 지름)의 시야(FoV)를 가지고 있는데, 이는 팔을 뻗은 거리에서 주먹 크기와 거의 같다. 이 중 105 deg2는 과학적인 품질을 가지며, 비네팅은 11% 미만이다. 광도계는 선명한 이미지 대신 뛰어난 광도 측정을 제공하기 위해 소프트 포커스를 사용한다. 임무 목표는 6.5시간 동안 통합된 ''m''(V)=12 태양과 유사한 별에 대해 20 ppm의 결합 차동 광도 정밀도(CDPP)였지만, 관측 결과는 이 목표에 미치지 못했다.

우주선의 카메라 초점면은 2200×1024 픽셀을 갖춘 50xx 크기의 42개 CCD로 구성되어 있으며, 총 해상도는 94.6 메가픽셀이다.[49][41] 이는 발사 당시 우주에서 가장 큰 카메라 시스템이었다.[14] 이 배열은 외부 방열기에 연결된 히트 파이프로 냉각되었다.[1] CCD는 6.5초마다 판독되었으며(채도를 제한하기 위해), 짧은 주기의 목표를 위해 58.89초, 긴 주기의 목표를 위해 1765.5초(29.4분) 동안 온보드에서 합산되었다.[42] 전자의 대역폭 요구 사항이 더 크기 때문에, 긴 주기의 경우 170,000개에 비해 512개로 제한되었다. 그러나 발사 당시 케플러는 NASA 임무 중 가장 높은 데이터 전송률을 기록했음에도 불구하고, 9,500만 픽셀의 29분 합계는 저장하고 지구로 다시 보낼 수 있는 데이터보다 더 많았다. 따라서 과학팀은 각 관심 별과 관련된 관련 픽셀을 미리 선택했으며, 이는 픽셀의 약 6% (540만 픽셀)에 해당한다. 이 픽셀의 데이터는 다른 보조 데이터와 함께 재양자화, 압축 및 온보드 16기가바이트 솔리드 스테이트 레코더에 저장되었다. 저장 및 다운링크된 데이터에는 과학 별, p-모드 별, 스미어, 블랙 레벨, 배경 및 전체 시야 이미지가 포함된다.[1][43]

4. 관측 방법 및 목표

케플러 우주망원경은 행성계의 구조와 다양성을 탐구하기 위한 목적으로 설계되었다.[74] 이를 위해 케플러는 다음과 같은 주요 목표를 가지고 별들을 관측한다.


  • 다양한 분광형의 별 주변에서 생물권(흔히 "골디락스 행성"이라고 불리는 영역) 내 또는 그 근처에 있는 지구 크기 또는 그 이상의 행성 빈도를 조사한다.[75]
  • 발견된 행성들의 궤도 크기와 형태의 범위를 파악한다.
  • 다중성계에서 행성이 얼마나 많이 존재하는지 추정한다.
  • 공전 주기가 짧은 거대 행성들의 궤도 크기, 밝기, 행성 크기, 질량, 밀도 등의 특성을 조사한다.
  • 다른 관측 기술을 이용하여 이미 발견된 행성계 내의 추가적인 행성들을 찾는다.
  • 행성계를 가지고 있는 별들의 특징을 연구한다.


케플러는 슈미트 카메라를 사용하여, 발사 당시 지구 궤도 밖의 어떤 망원경보다 큰 주 거울을 가지고 있었다.[40] 망원경의 시야(FoV)는 115deg2(약 12도 지름)로, 팔을 뻗은 거리에서 주먹 크기와 거의 같다. 광도계는 선명한 이미지 대신 뛰어난 광도 측정을 위해 소프트 포커스를 사용한다.

케플러의 초점면에는 42개의 CCD가 배열되어 있으며, 총 해상도는 94.6 메가픽셀로 발사 당시 우주에서 가장 큰 카메라 시스템이었다.[14][49][41] CCD는 6.5초마다 판독되며, 짧은 주기의 목표는 58.89초, 긴 주기의 목표는 1765.5초(29.4분) 동안 합산된다.[42]

이전에 다른 프로젝트에서 발견된 외계 행성들은 대부분 목성 크기 이상의 거대 행성이었다. 그러나 케플러는 지구 질량의 30~600배 정도인 더 작은 행성들을 찾도록 설계되었다. 케플러는 통과법을 사용하여 별 앞을 지나가는 행성에 의해 별의 밝기가 감소하는 현상을 관측한다.

4. 1. 관측 방법: 통과법 (Transit Method)

외계 행성을 찾는 데 사용되는 방법 중 하나인 통과법은 별 앞을 지나가는 행성을 관찰하는 것이다. 행성이 별 앞을 지나갈 때 별의 밝기가 아주 조금 감소하는데, 지구 크기의 행성이 지나갈 경우 별의 겉보기 등급이 약 0.01% 감소한다. 이 밝기 감소 정도를 통해 행성의 지름을 알아낼 수 있고, 밝기가 감소하는 간격을 통해 행성의 공전 주기를 알아낼 수 있다. 공전 주기를 통해 케플러의 법칙을 사용하여 궤도의 장반경을 계산할 수 있고, 별의 복사 모델을 사용하여 행성의 온도도 계산할 수 있다.

임의의 행성 궤도가 별을 향하는 시선 방향과 일치할 확률은 별의 지름을 궤도의 지름으로 나눈 값이다.[76] 1AU에서 태양과 같은 별을 통과하는 지구 크기 행성의 경우, 이 확률은 0.47%이다.[76] 태양과 같은 별을 공전하는 금성과 같은 행성의 경우 확률은 약간 더 높은 0.65%이다.[76] 만약 행성계에 여러 행성이 있다면, 행성들이 비슷한 평면에서 궤도를 돈다는 가정 하에, 추가적인 행성을 발견할 확률은 처음 행성을 발견했을 때보다 높아진다. 이는 행성계 형성의 현재 모델과 일치한다.[76] 예를 들어, 외계인이 케플러와 같은 망원경으로 지구의 태양 통과를 관찰한다면, 금성의 통과를 볼 확률은 7%이다.[76]

케플러의 시야는 115 deg2로, 허블 우주 망원경의 10제곱 분각보다 훨씬 넓어 지구 크기 행성을 탐지할 확률이 높다. 허블 우주 망원경은 다양한 과학적 목표를 가지고 있어 하나의 별자리를 지속적으로 관찰하는 경우가 드물지만, 케플러는 행성 통과를 감지하는 데 전념한다. 케플러는 약 50만 개의 별 중에서 약 15만 개의 별을 관측 대상으로 선택했는데, 그 중 9만 개 이상이 주계열성에 있거나 근처에 있는 G형 별이다. 케플러는 이러한 별들의 밝기가 최고조에 달하는 400–865 nm의 파장에 민감하도록 설계되었다. 케플러가 관측한 대부분의 별은 겉보기 등급이 14~16 사이이지만, 가장 밝은 별은 8 이하의 겉보기 등급을 가진다. 너무 희미한 행성 후보는 후속 관측이 어렵기 때문에 초기에는 확인되지 않을 것으로 예상되었다.[77] 케플러는 30분마다 별들의 밝기 변화를 측정하여 통과를 볼 수 있는 기회를 높였다. 이 임무는 다른 별을 공전하는 행성을 탐지할 확률을 최대화하도록 설계되었다.[1][78]

케플러는 별의 밝기 감소가 통과하는 행성에 의한 것인지 확인하기 위해 최소 세 번의 통과를 관찰해야 했다. 과학자들은 처음에 보고된 결과가 좁은 궤도를 가진 큰 목성 크기 행성일 것으로 예상했는데, 이는 큰 행성일수록 확인하기 쉬운 신호를 제공하기 때문이다. 실제로 몇 달 만에 그러한 행성들이 보고되었다. 더 작은 행성이나 태양에서 더 멀리 떨어진 행성은 발견하는 데 더 오랜 시간이 걸릴 것으로 예상되었으며, 지구와 비슷한 행성을 발견하는 데는 3년 이상이 걸릴 것으로 예상되었다.[79]

케플러가 수집한 데이터는 변광성을 연구하고 별 지진학을 수행하는 데에도 사용된다.[80] 특히 태양형 진동을 보이는 별에 대해 연구하는 데 유용하다.[81]

4. 2. 관측 대상


케플러는 하늘에 대해 고정된 시야(FOV)를 가지고 있다. 오른쪽 그림은 천구 좌표와 탐지기 영역의 위치를 보여주며, 왼쪽 상단 모서리에 천구 북극이 있는 몇 개의 밝은 별들의 위치도 보여준다. 미션 웹사이트에는 주어진 물체가 FOV에 속하는지, 그렇다면 사진 탐지기 출력 데이터 스트림에서 어디에 나타나는지 확인할 수 있는 계산기[72]가 있다. 외계 행성 후보에 대한 데이터는 후속 관측을 수행하기 위해 케플러 후속 프로그램(KFOP)에 제출된다.

케플러의 시야는 하늘의 약 0.25%인 115 제곱도를 덮고 있으며, "큰곰자리의 국자 두 개 정도"라고 비유할 수 있다. 따라서 하늘 전체를 덮으려면 약 400개의 케플러와 유사한 망원경이 필요할 것이다.[73] 케플러 시야에는 백조자리, 거문고자리, 용자리의 일부가 포함되어 있다.

케플러의 시야에서 가장 가까운 별 시스템은 태양에서 15광년 떨어진 삼중성계인 글리제 1245이다. 태양에서 22.8 ± 1광년 떨어진 갈색 왜성 WISE J2000+3629도 시야에 있지만, 주로 적외선 파장에서 빛을 방출하기 때문에 케플러에게는 보이지 않는다.

4. 3. 과학적 목표

케플러 우주 망원경의 과학적 목표는 행성계의 구조와 다양성을 탐구하는 것이었다.[74] 이 우주선은 다음의 주요 목표를 달성하기 위해 대규모의 별들을 관측했다.

  • 다양한 분광형의 별들의 생물권(종종 "골디락스 행성"이라고 불림) 내 또는 근처에 지구 크기 이상의 행성이 얼마나 되는지 결정한다.[75]
  • 이 행성들의 궤도 크기와 형태 범위를 결정한다.
  • 다중성계에 행성이 얼마나 되는지 추정한다.
  • 짧은 주기의 거대 행성의 궤도 크기, 밝기, 크기, 질량 및 밀도 범위를 결정한다.
  • 다른 기술을 사용하여 각 발견된 행성계의 추가 구성원을 식별한다.
  • 행성계를 품고 있는 별들의 특성을 결정한다.


이전에 다른 프로젝트에 의해 탐지된 대부분의 외계 행성은 주로 목성 크기 이상인 거대 행성이었다. 케플러는 지구 질량과 유사한, 30~600배 작은 행성을 찾도록 설계되었다(목성은 지구보다 318배 더 무겁다). 사용된 방법인 통과법은 별 앞을 지나가는 행성의 반복적인 천문학적 통과를 관찰하는 것으로, 지구 크기 행성의 경우 별의 겉보기 등급이 약 0.01% 감소한다. 이 밝기 감소 정도를 사용하여 행성의 지름을 추론할 수 있으며, 통과 간격을 사용하여 행성의 공전 주기를 추론할 수 있으며, 이를 통해 궤도 장반경(케플러의 법칙 사용)과 온도(별의 복사 모델 사용)를 계산할 수 있다.

임의 행성 궤도가 별을 향하는 시선 방향과 일치할 확률은 별의 지름을 궤도의 지름으로 나눈 값이다.[76] 태양과 같은 별을 통과하는 1 AU에 있는 지구 크기 행성의 경우 확률은 0.47% 또는 약 210분의 1이다.[76] 태양과 같은 별을 공전하는 금성과 같은 행성의 경우 확률은 약간 더 높으며 0.65%이다.[76] 만약 모성(host star)이 여러 행성을 가지고 있다면, 주어진 시스템의 행성들이 유사한 평면에서 궤도를 도는 경향이 있다는 가정 하에, 추가 감지 확률은 초기 감지 확률보다 높다. 이는 행성계 형성의 현재 모델과 일치하는 가정이다.[76] 예를 들어, 외계인이 수행한 ''케플러''와 같은 임무가 지구의 태양 통과를 관찰한다면, 그들이 또한 금성의 통과를 볼 확률은 7%이다.[76]

케플러의 115 deg2의 시야는 허블 우주 망원경(10제곱 분각의 시야)보다 지구 크기 행성을 탐지할 확률이 훨씬 높다. 게다가 케플러는 행성의 통과를 감지하는 데 전념하는 반면, 허블 우주 망원경은 광범위한 과학적 질문을 해결하는 데 사용되며, 하나의 별자리를 지속적으로 관찰하는 경우는 드물다. 케플러의 시야에 있는 약 50만 개의 별 중에서 약 15만 개의 별이 관측 대상으로 선택되었다. 9만 개 이상이 주계열성에 있거나 근처에 있는 G형 별이다. 따라서 케플러는 이러한 별들의 밝기가 최고조에 달하는 400–865 nm의 파장에 민감하도록 설계되었다. 케플러에 의해 관측된 대부분의 별은 14~16 사이의 겉보기 시각 등급을 가지지만, 가장 밝은 관측된 별은 8 이하의 겉보기 시각 등급을 가진다. 대부분의 행성 후보는 후속 관측에 너무 희미하기 때문에 초기에는 확인되지 않을 것으로 예상되었다.[77] 선택된 모든 별은 동시에 관측되며, 우주선은 30분마다 밝기 변화를 측정한다. 이는 통과를 볼 수 있는 더 나은 기회를 제공한다. 이 임무는 다른 별을 공전하는 행성을 탐지할 확률을 최대화하도록 설계되었다.[1][78]

케플러는 별의 어두워짐이 통과하는 행성에 의해 발생했는지 확인하기 위해 최소 세 번의 통과를 관찰해야 하고, 더 큰 행성은 확인하기 쉬운 신호를 제공하기 때문에 과학자들은 보고된 첫 번째 결과가 좁은 궤도에 있는 더 큰 목성 크기 행성일 것으로 예상했다. 이러한 행성 중 첫 번째는 불과 몇 달의 운용 후에 보고되었다. 더 작은 행성 및 태양에서 더 멀리 떨어진 행성은 더 오래 걸릴 것이고, 지구와 비슷한 행성을 발견하는 데는 3년 이상이 걸릴 것으로 예상되었다.[79]

케플러가 수집한 데이터는 다양한 유형의 변광성을 연구하고 별 지진학을 수행하는 데에도 사용되고 있으며,[80] 특히 태양형 진동을 보이는 별에 대해서 그러하다.[81]

5. 주요 성과

케플러 우주망원경은 외계 행성 탐색에 획기적인 기여를 한 미션이다. 2009년 발사 이후 수많은 외계 행성 후보를 발견했으며, 그중 일부는 생명체 거주 가능 영역에 위치하여 생명체 존재 가능성을 제시했다.

케플러는 통과법을 이용하여 별 앞을 지나가는 행성이 별빛을 가리는 현상을 관측했다. 이 방법으로 수천 개의 행성 후보를 발견했으며, 도플러 분광법, 통과 시간 변화 등 다양한 방법을 통해 행성 여부를 확인했다.

2010년 1월, 케플러 계획의 첫 번째 지구형 외계 행성 케플러 10b가 보고되었다. 이 행성은 암석 행성으로 확인되었지만, 항성에 너무 가까워 생명체가 존재할 가능성은 낮다.[371] 2011년 2월에는 항성 케플러 11 주위에 6개의 행성이 발견되었고, 1200개 이상의 미확인 행성 후보가 추가로 발견되었다. 이 중에는 지구와 비슷한 크기의 행성과 생물권 내에 위치한 행성 후보도 포함되어 있었다.[372]

케플러는 쌍성 주위를 공전하는 행성인 케플러 16b를 발견하여, 주극성 행성의 존재를 처음으로 확인했다.[381] 또한, 태양과 같은 항성인 케플러 20 주위를 공전하는 최초의 지구 크기 외계 행성인 케플러 20e[369]와 케플러 20f[370]를 발견했다.[383]

2011년, 천문학자 세스 쇼스택은 지구에서 1000광년 이내에 최소 30,000개의 거주 가능한 행성이 있다고 추정했으며,[384] 케플러 팀은 우리 은하에 최소 500억 개의 행성이 존재하며, 그 중 최소 5억 개가 생물권에 있다고 추정했다.[385] 2013년에는 캘리포니아 공과대학교 연구진이 우리 은하에 최소한 별의 수만큼 많은 행성이 존재하며, 1,000억에서 4,000억 개의 외계 행성이 있을 것으로 추정했다.[396][397]

케플러는 2013년 반작용 휠 고장으로 인해 주요 임무가 중단되었지만, 이후 K2 미션을 통해 관측을 계속했다. 2018년 연료 고갈로 인해 공식적으로 임무가 종료될 때까지, 케플러는 50만 개 이상의 항성을 관측하고 2,600개 이상의 외계 행성을 발견했다.[442]

케플러의 관측 자료는 여전히 새로운 외계 행성을 발견하는 데 활용되고 있으며, 머신 러닝과 플래닛 헌터스같은 시민 과학 프로젝트를 통해 더 많은 행성들이 발견될 것으로 기대된다.

5. 1. 외계 행성 발견

케플러가 데이터를 수집하여 전송하면, 원시 광도 곡선이 생성된다. 이후 우주선의 회전에 따른 밝기 변화를 고려하여 밝기 값을 조정하고, 광도 곡선을 더 쉽게 관측할 수 있는 형태로 처리(접기)하여 소프트웨어가 잠재적으로 통과와 유사한 신호를 선택하도록 한다. 이때 잠재적인 통과와 유사한 특징을 보이는 모든 신호는 임계값 통과 사건(TCE)이라고 불린다. 이러한 신호는 두 번의 검사 라운드로 개별 검사하며, 첫 번째 라운드는 대상당 몇 초밖에 걸리지 않는다. 이 검사에서는 잘못 선택된 비신호, 기기 잡음으로 인한 신호, 명백한 식쌍성을 제거한다.[82]

이러한 테스트를 통과한 TCE는 케플러 관측 대상(KOI)으로 지정되어 보관된다. KOI는 처분이라는 과정을 통해 더 철저하게 검사되며, 이 과정을 통과하면 케플러 행성 후보로 분류된다. KOI 아카이브는 정적이지 않으며, 케플러 후보는 추가 검사 후 거짓 양성으로 판명될 수 있다. 반대로, 거짓 양성으로 오인되었던 KOI가 다시 후보 목록에 포함될 수도 있다.[83]

하지만 모든 행성 후보가 이 과정을 거치는 것은 아니다. 쌍성 주위 행성은 엄격하게 주기적인 통과 현상을 보이지 않으므로 다른 방법으로 검사해야 한다. 또한, 제3자 연구자들이 다른 데이터 처리 방법을 사용하거나, 처리되지 않은 광도 곡선 데이터에서 행성 후보를 직접 검색하는 경우도 있다. 이러한 행성들은 KOI 지정을 받지 못할 수 있다.



케플러 데이터에서 적절한 후보가 발견되면, 추가 검사를 통해 가짜 양성을 배제해야 한다. 일반적으로 케플러 후보는 통과 신호의 밝기 신호를 오염시킬 수 있는 배경 물체를 분해하기 위해 더 진보된 지상 기반 망원경으로 개별 이미징된다.[85] 행성 후보를 배제하는 또 다른 방법은 천체 측정법인데, 케플러는 이를 설계 목표로 삼지 않았음에도 불구하고 좋은 데이터를 수집할 수 있었다. 케플러는 이 방법으로 행성 질량의 물체를 감지할 수는 없지만, 통과 현상이 별 질량의 물체에 의해 발생했는지 여부를 결정하는 데 사용할 수 있다.[86]

다양한 외계 행성 탐지 방법이 있으며, 이는 후보가 실제 행성이라는 추가 증거를 제공하여 허위 양성을 배제하는 데 도움이 된다. 그중 하나인 도플러 분광법은 지상 기반 망원경의 후속 관측이 필요하다. 이 방법은 행성이 질량이 크거나 비교적 밝은 별 주위에 위치한 경우 효과적이다. 현재의 분광 사진기는 비교적 어두운 별 주위에 작은 질량을 가진 행성 후보를 확인하기에는 부족하지만, 이 방법을 통해 표적 별 주위에서 추가적인 질량이 큰 비전이 행성 후보를 발견할 수도 있다.

케플러가 촬영한 사진으로, 두 개의 관심 지점이 표시되어 있다. 천구 북극은 왼쪽 아래 모서리를 향하고 있다.


다중 행성계에서 행성은 종종 서로의 중력에 의해 섭동될 경우 달라질 수 있는 연속적인 통과 사이의 시간을 관찰하여 통과 시간 변화를 통해 확인할 수 있다. 이는 별이 비교적 멀리 떨어져 있더라도 비교적 작은 질량의 행성을 확인하는 데 도움이 된다. 통과 시간 변화는 두 개 이상의 행성이 동일한 행성계에 속한다는 것을 나타낸다. 이 방법으로 비전이 행성이 발견되는 경우도 있다.[87]

이중성 주위 행성은 다른 행성에 의해 중력적으로 교란된 행성보다 통과 사이의 통과 시간 변화가 훨씬 더 크며, 통과 지속 시간도 상당히 변동한다. 이중성 주위 행성의 통과 시간 및 지속 시간 변화는 다른 행성이 아닌 모항성의 궤도 운동에 의해 발생한다.[88] 또한, 행성의 질량이 충분히 크면 모항성의 궤도 주기에 약간의 변화를 일으킬 수도 있다. 비주기적 통과로 인해 이중성 주위 행성을 찾기가 더 어렵지만, 통과 시간 패턴이 식쌍성이나 배경 별계에 의해 모방될 수 없으므로 이를 확인하는 것은 훨씬 더 쉽다.[89]

통과 외에도, 별 주위를 공전하는 행성은 달처럼 반사광 변화를 겪으며, 보름달에서 초승달로, 다시 보름달로 행성 위상을 거친다. 케플러는 별에서 행성을 분해할 수 없기 때문에 결합된 빛만 볼 수 있으며, 모항성의 밝기는 각 궤도에서 주기적으로 변화하는 것처럼 보인다. 비록 그 효과가 작지만(가까운 거대 행성을 관찰하는 데 필요한 측광 정밀도는 태양형 별을 통과하는 지구 크기 행성을 감지하는 것과 거의 같다), 며칠 또는 그 미만의 궤도 주기를 가진 목성형 행성은 케플러와 같은 민감한 우주 망원경으로 감지할 수 있다. 장기적으로 이 방법은 통과 방법보다 더 많은 행성을 찾는 데 도움이 될 수 있는데, 궤도 위상에 따른 반사광 변화는 행성의 궤도 경사각과 크게 무관하며 행성이 별의 원반 앞을 지나갈 필요가 없기 때문이다. 또한, 거대 행성의 위상 함수는 열적 특성과 대기(존재하는 경우)의 함수이기도 하다. 따라서 위상 곡선은 대기 입자의 입자 크기 분포와 같은 다른 행성 특성을 제한할 수 있다.[90]

케플러의 측광 정밀도는 종종 상대론적 빔 또는 동반체에 의한 별의 모양 변형으로 인해 발생하는 별의 밝기 변화를 관찰할 만큼 높다. 이러한 효과가 너무 두드러질 때는 뜨거운 목성 후보가 별이나 갈색 왜성에 의해 발생한 허위 양성임을 배제하는 데 사용될 수 있다.[91] 그러나 TrES-2b와 같은 행성 질량 동반체에서도 이러한 효과가 감지되는 경우도 있다.[92]

2009년 8월 6일, 미국 항공우주국(NASA)은 케플러 임무의 초기 과학적 결과에 대해 논의하기 위한 기자 회견을 열었다.[129] 이 기자 회견에서 케플러가 이전에 알려진 외계 행성 HAT-P-7b의 존재를 확인했으며, 지구 크기 행성을 발견할 수 있을 정도로 잘 작동하고 있다는 사실이 밝혀졌다.[130][131]

케플러의 행성 탐지는 밝기의 매우 작은 변화를 관찰하는 데 의존하기 때문에, 스스로 밝기가 변하는 별(변광성)은 이 탐색에 유용하지 않다.[71] 처음 몇 달간의 데이터를 통해 케플러 과학자들은 초기 목표 목록에 있는 약 7,500개의 별이 그러한 변광성임을 확인했다. 이 별들은 목표 목록에서 제외되었고, 새로운 후보로 대체되었다. 2009년 11월 4일, 케플러 프로젝트는 제외된 별들의 광도 곡선을 공개적으로 발표했다.[132] 케플러가 관측한 최초의 새로운 행성 후보는 모항성의 질량에 대한 불확실성 때문에 처음에 허위 양성으로 표시되었다. 그러나 10년 후에 확인되었으며 현재 Kepler-1658b로 지정되었다.[133][134]

처음 6주간의 데이터는 이전에 알려지지 않은 5개의 행성을 밝혀냈으며, 모두 별에 매우 가깝게 위치해 있었다.[135][136] 주목할 만한 결과로는 지금까지 발견된 것 중 가장 밀도가 낮은 행성 중 하나,[137] 두 개의 저질량 백색 왜성[138] (처음에 새로운 종류의 별 객체로 보고됨[139]), Kepler-16b (쌍성계를 공전하는 특징적인 행성)이 포함된다.

2010년 6월 15일, 케플러 임무는 156,000개 행성 표적 별 중 400개를 제외한 모든 별에 대한 데이터를 대중에게 공개했다. 이 첫 번째 데이터 세트에서 706개의 표적은 지구 크기에서 목성보다 큰 크기에 이르기까지 실행 가능한 외계 행성 후보를 가지고 있었다. 706개의 표적 중 306개의 정체성과 특징이 주어졌다. 공개된 표적에는 6개의 추가 외계 행성 후보를 포함하여 5개의 다중 행성계 후보가 포함되었다. 대부분의 후보에 대해 33.5일의 데이터만 사용할 수 있었다. NASA는 또한 케플러 팀 구성원이 후속 관찰을 수행할 수 있도록 다른 400개의 후보에 대한 데이터를 보류하고 있다고 발표했다. 이 후보들에 대한 데이터는 2011년 2월 2일에 공개되었다.

2010년에 공개된 목록의 후보를 기반으로 한 케플러 결과는 대부분의 후보 행성이 목성의 절반보다 작은 반경을 가지고 있음을 시사했다. 이 결과는 또한 30일 미만의 주기를 가진 작은 후보 행성이 30일 미만의 주기를 가진 큰 후보 행성보다 훨씬 더 흔하며, 지상 기반 발견이 크기 분포의 큰 꼬리를 샘플링하고 있음을 시사한다. 이는 작고 지구 크기의 행성이 상대적으로 드물 것이라고 제안했던 이전 이론과 모순되었다. 케플러 데이터에서 추론한 결과, 우리 은하에 약 1억 개의 거주 가능한 행성이 있을 수 있다는 추정은 현실적일 수 있다. TED 강연에 대한 일부 언론 보도는 케플러가 실제로 이러한 행성을 발견했다는 오해를 불러일으켰다. 이는 2010년 8월 2일자 케플러 과학 위원회에 대한 NASA 에임스 연구 센터 이사에게 보낸 서한에서 "현재 케플러 데이터 분석은 케플러가 지구형 행성을 발견했다는 주장을 뒷받침하지 않습니다."라고 명확히 밝혀졌다.

2010년, 케플러는 부모 별보다 작고 뜨거운 물체를 포함하는 KOI 74와 KOI 81의 두 시스템을 확인했다. 이 물체는 이전의 질량 전달 에피소드에 의해 생성된 낮은 질량의 백색 왜성일 가능성이 높다.



2011년 2월 2일, 케플러 팀은 2009년 5월 2일부터 9월 16일까지 수집된 데이터 분석 결과를 발표했다.[150] 그들은 997개의 모성 주위를 공전하는 1235개의 행성 후보를 발견했다. (이하 숫자는 후보가 실제 행성이라고 가정한다. 공식 논문에서는 후보라고만 불렀지만 독립적인 분석 결과에 따르면 최소 90%가 실제 행성이고 허위 양성이 아니다.)[151] 지구 크기와 비슷한 행성은 68개, 슈퍼 지구 크기는 288개, 해왕성 크기는 662개, 목성 크기는 165개, 목성 크기의 2배까지 되는 행성은 19개였다. 이전 연구와는 대조적으로, 행성의 약 74%가 해왕성보다 작았는데, 이는 이전 연구에서 작은 행성보다 큰 행성을 더 쉽게 발견했기 때문일 가능성이 높다.

2011년 2월 2일 발표된 1235개의 외계 행성 후보에는 "생명 가능 구역"에 있을 수 있는 54개가 포함되었으며, 이 중 5개는 지구 크기의 2배 미만이었다.[152][153] 이전에 "생명 가능 구역"에 있는 것으로 생각되는 행성은 단 두 개뿐이었으므로, 이 새로운 발견은 "골디락스 행성"(액체 물을 유지할 수 있는 적절한 온도의 행성)의 잠재적 수를 엄청나게 확장한다.[154] 지금까지 발견된 모든 생명 가능 구역 후보는 태양보다 훨씬 작고 차가운 별을 공전한다(태양과 유사한 별 주변의 생명 가능 후보는 감지를 위해 필요한 세 번의 통과를 축적하는 데 몇 년이 더 걸릴 것이다).[155] 모든 새로운 행성 후보 중 68개는 지구 크기의 125% 이하이거나 이전에 발견된 모든 외계 행성보다 작다.[153] "지구 크기"와 "슈퍼 지구 크기"는 "2 지구 반경(Re) 이하(즉, Rp ≤ 2.0 Re) - 표 5"로 정의된다.[150] 이러한 행성 후보 6개 [즉: KOI 326.01 (Rp=0.85), KOI 701.03 (Rp=1.73), KOI 268.01 (Rp=1.75), KOI 1026.01 (Rp=1.77), KOI 854.01 (Rp=1.91), KOI 70.03 (Rp=1.96) - 표 6][150]가 "생명 가능 구역"에 있다.[152] 더 최근 연구에 따르면 이 후보 중 하나(KOI 326.01)는 처음 보고된 것보다 훨씬 크고 뜨겁다.[156]

행성 관측 빈도는 지구 크기의 2~3배인 외계 행성에서 가장 높았으며, 행성 면적에 반비례하여 감소했다. 관측 편향을 고려한 후 2011년 3월 현재 최적의 추정치는 다음과 같다: 별의 5.4%가 지구 크기 후보를, 6.8%가 슈퍼 지구 크기 후보를, 19.3%가 해왕성 크기 후보를, 2.55%가 목성 크기 이상 후보를 가지고 있다. 다중 행성계는 흔하며, 모성의 17%가 다중 후보계를 가지고 있고, 모든 행성의 33.9%가 다중 행성계에 있다.[157]

2011년 12월 5일까지 케플러 팀은 2,326개의 행성 후보를 발견했다고 발표했으며, 이 중 207개는 지구와 크기가 유사하고, 680개는 슈퍼 지구 크기이며, 1,181개는 해왕성 크기이며, 203개는 목성 크기이고 55개는 목성보다 크다. 2011년 2월 수치와 비교하여 지구 크기 행성과 슈퍼 지구 크기 행성의 수는 각각 200%와 140% 증가했다. 또한, 조사된 별의 생명 가능 구역에서 48개의 행성 후보가 발견되었는데, 이는 2월 수치에서 감소한 것이다. 이는 12월 데이터에서 더 엄격한 기준이 사용되었기 때문이다.[167]

2011년 12월 20일, 케플러 팀은 첫 번째 지구 크기 외계 행성인 케플러-20e[148]와 케플러-20f[149]가 태양과 같은 별인 케플러-20[158]을 공전한다는 사실을 발표했다.

케플러의 발견에 따르면, 천문학자 세스 쇼스택은 2011년에 "지구로부터 천 광년 이내"에 "최소 3만 개"의 생명 가능한 행성이 있다고 추정했다.[159] 또한, 발견에 기초하여 케플러 팀은 "우리 은하에 최소 500억 개의 행성"이 있으며, 이 중 "최소 5억 개"가 생명 가능 구역에 있다고 추정했다.[160] 2011년 3월, 미국 항공 우주국(NASA)의 제트 추진 연구소(JPL)의 천문학자들은 태양과 같은 별의 "약 1.4~2.7%"가 별의 "생명 가능 구역" 안에 지구 크기 행성을 가질 것으로 예상된다고 보고했다. 이는 우리 은하에서만 "20억 개"의 이러한 "지구 유사체"가 있다는 것을 의미한다. JPL 천문학자들은 또한 "500억 개의 다른 은하"가 있으며, 모든 은하가 우리 은하와 유사한 수의 행성을 가지고 있다면 1개 이상의 육십억 "지구 유사체" 행성을 잠재적으로 생성한다고 언급했다.[161]

2012년 1월, 국제 천문학자팀은 은하수의 각 별이 "평균적으로...최소 1.6개의 행성"을 거느릴 수 있으며, 이는 은하수에 1,600억 개 이상의 별을 공전하는 행성이 존재할 수 있음을 시사한다고 보고했다.[162][163] 케플러는 또한 1859년 캐링턴 사건보다 10,000배 더 강력한 원거리 별 초플레어를 기록했다.[164] 초플레어는 가까운 궤도를 도는 목성 크기의 행성에 의해 유발될 수 있다.[164] 통과 시간 변화 (TTV) 기술은 케플러-9d를 발견하는 데 사용되었으며, 외계 행성 발견을 확인하는 데 널리 사용되었다.[165] 또한 4개의 별이 있는 시스템의 행성이 확인되었는데, 이는 그러한 시스템이 발견된 것은 처음이다.[166]

2012년 기준으로, 총 2,321개의 후보가 있었다.[167][168][169] 이 중 207개는 지구 크기와 유사하고, 680개는 슈퍼 지구 크기, 1,181개는 해왕성 크기, 203개는 목성 크기이며, 55개는 목성보다 크다. 또한, 조사된 별의 생명 가능 영역에서 48개의 행성 후보가 발견되었다. 케플러 팀은 모든 별의 5.4%가 지구 크기의 행성 후보를 가지고 있으며, 모든 별의 17%가 여러 개의 행성을 가지고 있다고 추정했다.

2013년 1월에 발표된 칼텍 천문학자들의 연구에 따르면, 은하수에는 별의 수만큼 많은 행성이 존재하며, 그 결과 1,000억에서 4,000억 개의 외계 행성이 존재한다.[170][171] 별 케플러-32를 공전하는 행성들을 기반으로 한 이 연구는 행성계가 은하수의 별 주변에서 흔할 수 있음을 시사한다. 2013년 1월 7일에는 461개의 추가적인 후보가 발견되었다고 발표되었다.[172] 케플러가 더 오래 관측할수록 긴 공전 주기를 가진 더 많은 행성을 감지할 수 있다.[172]

2013년 1월 7일에 새로 발표된 후보는 케플러-69c (이전 명칭: ''KOI-172.02'')였으며, 생물권에서 태양과 유사한 별을 공전하는 지구 크기의 외계 행성으로, 생명체가 존재할 가능성이 있다.[173]

2013년 4월에는 KOI-256 별계에서 동반 적색 왜성의 빛을 휘게 만드는 백색 왜성이 발견되었다.[174]

2013년 4월, NASA는 케플러-62와 케플러-69의 각각의 모항성 생물권에 있는 세 개의 새로운 지구 크기 외계 행성인 케플러-62e, 케플러-62f, 케플러-69c의 발견을 발표했다. 이 새로운 외계 행성들은 액체 상태의 물을 가지고 있어 거주 가능한 환경을 가질 수 있는 주요 후보로 여겨진다.[175][176][177] 최근 분석에 따르면 케플러-69c는 금성과 더 유사하며, 따라서 거주 가능성이 낮을 수 있다.[178]

2013년 5월 15일, NASA는 우주 망원경이 올바른 방향을 유지하는 데 사용되는 반작용 휠의 고장으로 인해 작동 불능 상태가 되었다고 발표했다. 이전에 두 번째 휠이 고장났고, 망원경이 제대로 작동하려면 총 4개 중 3개의 휠이 작동해야 했다. 7월과 8월에 추가적인 테스트를 통해 케플러가 손상된 반작용 휠을 사용하여 자체적으로 안전 모드로 들어가는 것을 방지하고 이전에 수집된 과학 데이터를 다운링크할 수 있었지만, 이전과 같이 추가적인 과학 데이터를 수집할 수는 없다는 것이 확인되었다.[179] 케플러 프로젝트에 참여한 과학자들은 아직 검토해야 할 데이터가 미처리 상태로 남아 있으며, 이러한 차질에도 불구하고 향후 몇 년 안에 더 많은 발견이 이루어질 것이라고 말했다.[180]

문제 발생 이후 케플러 필드에서 새로운 과학 데이터는 수집되지 않았지만, 이전에 수집된 관측 데이터를 기반으로 2013년 7월에 63개의 추가 후보가 발표되었다.[181]

2013년 11월에는 두 번째 케플러 과학 컨퍼런스가 개최되었다. 발견 내용에는 2013년 초에 비해 행성 후보의 중간 크기가 작아진 점, 몇몇 쌍성계 행성 및 생물권 내 행성의 발견에 대한 예비 결과 등이 포함되었다.[182]

히스토그램으로 나타낸 외계 행성 발견 현황. 노란색 음영 막대는 다중성 기법으로 확인된 행성을 포함하여 새롭게 발표된 행성을 나타낸다(2014년 2월 26일).


2014년 2월 13일, 530개 이상의 추가적인 행성 후보가 단일 행성계 주변에 존재한다고 발표되었다. 그중 몇 개는 거의 지구 크기였으며 생명 가능 지역에 위치해 있었다. 이 숫자는 2014년 6월에 약 400개 더 증가했다.[183]

2014년 2월 26일, 과학자들은 케플러의 데이터로 715개의 새로운 외계 행성의 존재를 확인했다고 발표했다. "다중성 검증"이라고 불리는 새로운 통계적 확인 방법이 사용되었는데, 이는 다중성 주변의 행성이 얼마나 실제로 행성으로 발견되었는지에 기반한다. 이를 통해 다중 행성계의 일부인 수많은 후보들의 훨씬 빠른 확인이 가능했다. 발견된 외계 행성의 95%는 해왕성보다 작았으며, 케플러-296f를 포함한 4개는 지구의 2.5배보다 작았고, 액체 물에 적합한 표면 온도를 가진 생명 가능 구역에 위치해 있었다.[184][185][186][187]

2014년 3월의 한 연구는 1일 미만의 공전 주기를 가진 작은 행성은 보통 1~50일의 공전 주기를 가진 최소 하나의 추가 행성을 동반한다는 것을 발견했다. 이 연구는 또한 극단적인 단주기 행성은 오정렬된 뜨거운 목성이 아닌 이상 거의 항상 지구 반지름의 2배보다 작다는 점을 지적했다.[188]

2014년 4월 17일, 케플러 연구팀은 생명 가능 구역에 위치한 최초의 거의 지구 크기 행성인 케플러-186f의 발견을 발표했다. 이 행성은 적색 왜성 주위를 공전한다.[189]

5. 2. 외계 행성 연구에 대한 기여

케플러 우주망원경은 외계 행성 탐색에 획기적인 기여를 했다. 다양한 외계 행성 탐지 방법을 활용하여 수많은 행성 후보를 발견하고, 그중 일부는 생명체 거주 가능 영역에 위치하여 생명체 존재 가능성을 제시했다.

케플러는 다중 행성계에서 행성 간의 중력적 섭동으로 인한 통과 시간 변화를 관찰하여 행성을 확인하는 방법을 사용했다. 이 방법은 별에서 멀리 떨어진, 질량이 작은 행성도 확인 가능하다는 장점이 있다. 통과 시간 변화는 두 개 이상의 행성이 동일한 행성계에 속한다는 것을 나타내며, 심지어 비전이 행성도 발견할 수 있게 해준다.[87]

이중성 주위 행성의 경우, 통과 시간 변화가 다른 행성에 의한 중력적 교란보다 훨씬 크고, 통과 지속 시간도 크게 변동한다. 이러한 변화는 모항성의 궤도 운동에 의해 발생한다.[88] 비주기적 통과 때문에 이중성 주위 행성을 찾기는 어렵지만, 통과 시간 패턴이 식쌍성 등에 의해 모방될 수 없으므로 확인은 더 쉽다.[89]

케플러는 통과 외에도 행성의 반사광 변화를 관측하여 행성을 탐지했다. 행성은 달처럼 위상이 변하며, 케플러는 결합된 빛의 변화를 통해 모항성의 밝기가 주기적으로 변하는 것을 감지한다. 이 방법은 궤도 경사각에 크게 영향을 받지 않고, 행성이 별 앞을 통과하지 않아도 되기 때문에 통과 방법보다 더 많은 행성을 찾는 데 유리하다. 또한, 거대 행성의 위상 함수는 열적 특성과 대기(존재하는 경우)의 함수이므로, 대기 입자의 입자 크기 분포와 같은 행성 특성을 파악하는 데 도움이 된다.[90]

케플러의 정밀한 측광 능력은 상대론적 빔 효과나 동반체에 의한 별의 모양 변형으로 인한 밝기 변화를 관찰할 수 있게 해주었다. 이를 통해 뜨거운 목성 후보가 별이나 갈색 왜성에 의한 허위 양성인지 판별할 수 있다.[91] TrES-2b와 같이 행성 질량 동반체에서도 이러한 효과가 감지되는 경우가 있다.[92]

케플러의 데이터를 통해 발견되었지만 외부 연구원에 의해 확인된 외계 행성으로는 케플러-39b,[220] 케플러-40b,[219] 케플러-41b,[228] 케플러-43b,[229] 케플러-44b,[230] 케플러-45b, 케플러-223[232], 케플러-42[233] 등이 있다.

케플러는 설계 목표에 완벽하게 도달하지는 못했지만, 지상 망원경보다 훨씬 뛰어난 측광 성능을 보였다. 당초 목표는 6.5시간 적분으로 겉보기 등급 12의 별에서 20ppm의 CDPP(결합 차등 광도 정밀도)를 달성하는 것이었다. 실제 관측에서는 중앙값 29ppm의 정밀도를 얻었으며, 노이즈의 대부분은 별 자체의 예상보다 큰 변동성과 기기 노이즈에 의한 것이었다.[288][289] 지구 크기 행성의 통과 신호는 매우 작기 때문에(약 80ppm), 노이즈 증가는 더 많은 통과 관측을 필요로 했다.[290]

2012년 4월 4일, 케플러 미션은 2016 회계 연도까지 연장 승인되었지만,[253][291] 반작용 휠 고장으로 인해 당초 계획했던 형태의 미션 수행은 불가능해졌고, K2 미션이 대신 수행되었다. K2 미션에서는 측광 정밀도가 150ppm으로 악화되었지만, 데이터 처리법 개선을 통해 겉보기 밝기 10-13 등급의 별에 대해 30-40ppm 수준으로 개선되었다.[292]

케플러는 가양성을 배제하기 위해 후속 관측을 필요로 한다. 케플러 후보는 정교한 지상 망원경으로 개별 관측되거나, 측성학을 통해 항성 질량 천체에 의한 통과인지 확인할 수 있다.[329][330] 도플러 분광법은 거대 행성이나 밝은 별 주위 행성 확인에 효과적이며, 대상 별 주위에 추가적인 거대 행성을 발견하는 데도 사용될 수 있다.

2011년 1월, 케플러 계획의 첫 번째 지구형 외계 행성 케플러 10b가 보고되었다. 이 행성은 지구와 같은 암석 행성으로 여겨지지만, 항성에 너무 가까워 생명체가 존재할 가능성은 거의 없다.[371] 2월에는 항성 케플러 11에 6개의 행성이 보고되었고, 1200개 이상의 미확인 행성 후보가 발견되었다. 이 중 288개는 지구와 비슷한 크기이며, 생물권을 공전하는 지구 크기의 후보도 5개 포함되어 있었다.[372]

2011년 2월 2일, 케플러 팀은 2009년 5월 2일부터 9월 16일까지의 데이터 분석 결과를 발표하며 997개의 항성 주위를 공전하는 1235개의 행성 후보를 발견했다.[373] 이 중 54개는 생물권에 들어갈 가능성이 있었고, 5개는 지구의 2배 이하 크기였다.[375][376]

행성 관측 빈도는 지구 크기의 2~3배의 외계 행성에서 가장 높았으며, 행성 면적에 반비례하여 감소했다. 다행성계는 일반적이며, 주성의 17%가 여러 후보를 갖고, 전체 후보의 33.9%가 다중 행성계에 속한다.[380]

9월에는 쌍성케플러 16 주위의 행성 케플러 16b가 발견되었다. 이는 케플러가 쌍성 주위 행성(주극성 행성)을 발견한 첫 사례이자, 주극성 행성이 항성 앞을 가로지르는 모습이 관측된 첫 사례이다.[381]

2011년 12월 5일까지 케플러 팀은 2,326개의 행성 후보를 발표했으며, 지구 크기와 슈퍼 지구 크기의 행성 수는 크게 증가했다. 생물권 내 행성 후보는 48개로 감소했는데, 이는 더 엄격한 기준이 적용되었기 때문이다.[393] 12월 20일에는 태양과 같은 항성인 케플러 20 주위를 공전하는 최초의 지구 크기 외계 행성 케플러 20e[369]와 케플러 20f[370]가 발견되었다.[383]

2011년, 천문학자 세스 쇼스택은 지구에서 1000광년 이내에 최소 30,000개의 거주 가능한 행성이 있다고 추정했다.[384] 케플러 팀은 은하계에 최소 500억 개의 행성이 있으며, 그 중 최소 5억 개가 생물권에 있다고 추정했다.[385]

2013년 1월, 캘리포니아 공과대학교 연구진은 은하계에 최소한 별과 같은 수의 행성이 존재하며, 1,000억~4,000억 개의 외계 행성이 있을 것으로 추정했다.[396][397] 2013년 1월 7일에는 461개의 행성 후보가 추가로 발표되었다.[398]

2013년 4월, KOI-256 성계에서 적색 왜성의 빛을 굴절시키는 백색 왜성이 발견되었고,[402] NASA는 케플러 62e, 케플러 62f, 케플러 69c 등 3개의 새로운 지구 크기 외계 행성을 발표했다.[403][404][405]

2013년 5월 15일, NASA는 케플러 우주망원경의 반작용 휠 고장을 발표했다.[407]

2014년 2월에는 530개 이상의 행성 후보가 발표되었고,[411] 2월 26일에는 "Verification by Multiplicity" 방법을 통해 715개의 새로운 외계 행성이 확인되었다.[412][413][414][415] 4월 17일에는 생명체 거주 가능 영역에 위치한 최초의 지구 크기 행성 케플러 186f가 발견되었다.[417]

2014년 7월, K2 관측 데이터에서 식쌍성 형태의 첫 번째 발견이 보고되었다.[419][420] 2014년 9월에는 K2 미션의 첫 번째 관측 결과가 보고되었다.[421]

케플러가 관측한 Ia형 초신성 KSN 2011b의 초신성 폭발 과정
[430]

2015년 1월, 확인된 케플러 행성의 수는 1000개를 넘었으며, 케플러 438b와 케플러 442b는 생물권에 위치하고 암석질일 가능성이 높다고 발표되었다.[270] 또한, 112억 년 된 항성 케플러 444 주위를 공전하는 5개의 지구 크기 암석 행성이 발견되었다.[425][426][427]

2015년 7월 24일, NASA는 지구와 유사한 크기로 태양과 같은 항성의 생물권 안을 공전하는 케플러 452b를 발견했다고 발표했다.[431][432]

2015년 9월, KIC 8462852의 이상한 광도 변동이 보고되었으며, 혜성, 소행성, 외계인 문명 등 다양한 가설이 제시되었다.[435][436][437]

플래닛 헌터스 프로젝트는 케플러 미션 데이터를 활용하여 자원 봉사자들이 외계 행성 탐색에 참여할 수 있도록 했다. 2011년 6월까지 69개의 잠재적 행성 후보가 발견되었으며,[490] 2012년에는 아마추어 천문학자들이 새로운 외계 행성 Threapleton Holmes B를 발견했다.[491] 2012년과 2013년에는 PH1b(케플러 64b)와 PH2b(케플러 86b)가 발견되었다.

2017년 4월, 주니버스 프로젝트 "Exoplanet Explorers"를 통해 K2 미션 데이터를 활용한 외계 행성 탐색이 시작되었고, K2-138을 포함한 여러 행성계가 발견되었다.[493][494]

5. 3. 후속 연구 및 활용

케플러 우주망원경의 퇴역 이후에도, 케플러가 관측한 자료는 계속해서 새로운 외계 행성을 발견하는 데 활용되고 있다.

2020년 8월에는 머신 러닝 알고리즘을 통해 50개의 새로운 행성 후보가 확인되었으며[444], 이 중 케플러 1701b는 생명체 서식 가능 구역 내에 존재하여 잠재적인 거주 가능 외계 행성 목록에 포함되었다[445]。 2021년 8월에는 K2 미션의 행성 후보에서 37개의 새로운 행성 후보가 추가로 확인되었다[446]。 2021년 11월에는 "ExoMiner"라는 머신 러닝 프로젝트를 통해 301개의 행성 후보가 발견되었는데, 이들은 다양한 크기와 공전 주기를 가지며, 일부는 다중 행성계를 이루고 있다[447]。 2022년 3월에는 K2 캠페인 9에서 관측된 K2-2016-BLG-0005Lb가 중력 마이크로렌즈 방법을 통해 발견된 최초의 우주 기반 관측 행성으로 발표되었다[448]。

다음은 케플러 미션 데이터를 활용한 주요 외계 행성 발견 사례를 표로 정리한 것이다.

발견 날짜발견 방법행성(계) 이름특징참고
2020년 8월 24일머신 러닝50개 행성 후보 ( 케플러 1701b 포함)케플러 1701b는 생명체 서식 가능 구역 내 공전 [445]
2021년 8월 12일K2 미션 데이터 분석37개 행성 후보[446]
2021년 11월 19일머신 러닝 ("ExoMiner")301개 행성 후보다양한 크기(지구의 0.6배~9.5배) 및 공전 주기(0.5일~280일), 42개는 다중 행성계 [447]
2022년 3월 31일중력 마이크로렌즈 (K2 캠페인 9)K2-2016-BLG-0005Lb우주 관측을 통해 발견된 최초의 중력 마이크로렌즈 행성 [448]



케플러 미션 데이터는 일반 대중에게도 공개되어, 플래닛 헌터스와 같은 시민 과학 프로젝트를 통해 외계 행성 탐색에 기여할 수 있다. 2010년 12월부터 플래닛 헌터스 프로젝트를 통해 자원봉사자들은 케플러 이미지의 광도 곡선을 분석하여 컴퓨터 알고리즘이 놓칠 수 있는 행성 신호를 찾고 있다[489]。 2011년 6월까지 69개의 잠재적 행성 후보가 발견되었으며[490], 2012년에는 영국 피터버러의 아마추어 천문학자 2명이 새로운 외계 행성 Threapleton Holmes B를 발견하기도 했다[491]。 2012년 초까지 10만 명이 넘는 자원봉사자들이 100만 개 이상의 케플러 이미지를 분석했으며[492], PH1b (케플러 64b)와 PH2b (케플러 86b) 등의 외계 행성이 시민 과학자들에 의해 발견되었다.

2017년에는 주니버스 프로젝트 "Exoplanet Explorers"를 통해 K2 미션에서 다운로드된 데이터를 활용하여 외계 행성 탐색이 이루어졌다. 이 프로젝트를 통해 K2-138 항성계와 4개의 슈퍼 지구를 포함한 다양한 행성 후보들이 발견되었으며[493][494], 시민 과학자들은 연구 논문의 공동 저자로 등재될 수 있다[495]。

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