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HabEx

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1. 개요

HabEx는 NASA가 계획 중인 우주 망원경으로, 외계 행성의 생명체 존재 가능성을 탐색하고 일반 천문학 연구를 수행하는 것을 목표로 한다. 2016년 플래그쉽 프로그램에 포함되었으며, 3.5m에서 8m 크기의 주경을 통해 외계 행성의 대기 성분을 관측하여 생명체의 징후를 찾을 수 있도록 설계되었다. 대한민국과 일본을 포함한 여러 국가 및 기관들이 기술 개발과 과학 연구에 참여하고 있으며, 특히 일본은 자외선 검출기 개발에 기여할 예정이다. HabEx는 외계 행성 탐색 외에도 은하 연구, 암흑 물질 연구 등 다양한 천문학적 목표를 가지고 있으며, 2020년경 핵심 부품 및 발사 계획이 정해질 예정이다.

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HabEx
Habitable Exoplanet Observatory (HabEx)
임무 유형우주 망원경
운영 기관NASA
웹사이트https://www.jpl.nasa.gov/habex/
임무 기간5년 ~ 10년 (제안)
하드웨어 정보
제조사(정보 없음)
발사 질량18,550 kg (최대)
건조 질량≈10,160 kg
페이로드 질량≈6,080 kg (망원경 + 관측 장비)
크기(정보 없음)
전력6.9 kW (최대)
발사 정보
발사 예정일2035년 (제안)
발사 로켓관측 장비 부분: 스페이스 론치 시스템 (SLS) 블록 1B
스타셰이드 부분: 팰컨 헤비
발사 장소(정보 없음)
발사 계약자(정보 없음)
궤도 정보
궤도라그랑주 점 (태양-지구 L2)
망원경 정보
관측 장비 유형(정보 없음)
망원경 이름(정보 없음)
망원경 유형(정보 없음)
망원경 직경4 m
망원경 초점 거리(정보 없음)
망원경 면적(정보 없음)
망원경 파장가시광; 가능성 있는 UV, NIR, IR (91 – 1000 nm)
망원경 해상도R ≥ 60,000; SNR ≥ 5 (분해능 요소당); AB ≥ 20 mag (GALEX FUV) 대상; 노출 시간 ≤ 12시간
관측 장비
관측 장비 구성VIS 카메라, UV 분광기, 코로나그래프, 스타셰이드
프로그램 정보
프로그램Large strategic science mission
이전 미션(정보 없음)
다음 미션(정보 없음)
디자인 이미지
HabEx 디자인 이미지
HabEx 디자인 이미지
추가 정보

2. 역사

2016년, NASA는 제임스 웹 우주 망원경과 낸시 그레이스 로만 우주 망원경에 이어 차세대 플래그십 (대형 전략 과학 임무)으로 HabEx, 링크스 엑스선 천문대, OST, LUVOIR를 포함한 4개의 우주 망원경을 고려하기 시작했다.[4] 2019년, 네 팀은 최종 보고서를 미국 국립 과학 아카데미에 제출했다.[4] 2021년, 미국 국립 과학 아카데미는 LUVOIR와 HabEx의 설계 요소를 결합한 6미터 구경 망원경 (생명 가능한 세계 관측소)을 제안했다.[7][8][9]

HabEx의 구경(주경의 지름)은 약 3.5m에서 8m으로 정해졌으며,[38] 최종 설계는 2020년대에 확정될 예정이다. 이 정도 크기의 구경이면 외계 행성의 대기층을 관측하여 산소, 질소 등 생명체가 살기 좋은 환경을 갖춘 외계 행성을 찾아낼 수 있다.[39][40][41][42]

2. 1. 대한민국 참여

일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA), 국립 천문대, 도쿄 대학 등의 일본 연구 기관들은 HabEx 계획에 참여하여 자외선 검출기 개발에 기여하고 있으며, 전체 예산의 5%를 부담하여 공동 관측에 참여할 예정이다.[29][30][31] 허블 우주 망원경이 HabEx 발사 전에 운용을 중단할 경우 자외선을 관측할 수 있는 대형 우주 망원경이 없어지기 때문에, 일본의 자외선 망원경 기술 개발은 주목할 만하다. 대한민국도 이러한 국제 협력에 참여하여 우주 망원경 기술 개발 및 과학 연구에 기여할 가능성이 있으며, 이는 한국의 우주 산업 발전에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.

3. 과학적 목표

HabEx의 주요 과학적 목표는 가까운 주계열성의 생명체 거주 가능 구역에 있는 지구 크기의 행성을 발견하고 그 특성을 자세히 분석하는 것이다. 더불어 해당 항성계 내의 모든 외계 행성을 연구하고, 광범위한 일반 천체물리학 연구도 수행한다.

특히, 이 임무는 태양과 비슷한 별의 생명체 거주 가능 구역에 있는 지구 크기의 암석 행성 대기에서 생명 가능성 지표와 바이오시그니처를 찾도록 설계되었다.[24] (H2O), 메테인(CH4), 암모니아(NH3), 일산화 탄소(CO)의 흡수선, 나트륨(Na) 및 칼륨(K)의 휘선은 HabEx의 관측 장비로 탐색 가능한 파장 범위에 있다.

허블 우주 망원경보다 1000배 더 뛰어난 성능으로,[24] HabEx는 행성뿐만 아니라 주성 주변의 먼지 구조도 관측하여 행성의 중력 영향을 추적할 수 있다. 또한 희미한 원시 행성계 원반을 촬영하여 다양한 항성의 분류에 걸쳐 먼지의 존재율과 특성을 비교 연구할 수 있게 한다.[22]

3. 1. 외계 행성 탐색 및 특성화

HabEx는 태양과 유사한 별 주위의 행성계를 직접 촬영하는 임무를 위한 개념이다.[5][6] HabEx는 모든 유형의 행성에 대해 관측 가능하지만, 주요 목표는 지구 크기의 암석 외계 행성을 직접 촬영하고, 그들의 대기 성분을 분석하는 것이다. 이러한 행성의 스펙트럼을 측정함으로써, HabEx는 물과 같은 생명 가능성의 징후를 찾고, 산소오존과 같이 생물학적 활동을 나타낼 수 있는 대기 중의 가스를 탐색할 것이다.[6]

특히 이 임무는 가까운 태양형 별의 생명 가능 구역에 위치한 지구 크기의 암석 행성의 대기에서 생명 가능성과 생물학적 지표의 징후를 찾도록 설계되었다.[10] CO, , , 의 흡수 특징과 NaK의 방출 특징은 예상되는 HabEx 관측 파장 범위 내에 있다.

허블 우주 망원경으로 얻을 수 있는 것보다 1000배 더 나은 대비를 통해,[10] HabEx는 행성의 중력 효과를 추적하여 큰 먼지 구조를 분석할 수 있다. HabEx는 처음으로 여러 희미한 원시 행성 원반을 촬영하여 다양한 별 분류에 걸쳐 먼지 재고 및 특성에 대한 비교 연구를 가능하게 할 것이다.[5]

3. 2. 생체 지표

HabEx는 외계 행성의 대기에서 잠재적인 생체 지표 가스, 예를 들어 산소(0.69 및 0.76 μm) 및 그 광분해 생성물인 오존()을 탐색할 것이다. 장파장 쪽으로 관측 범위를 1.7 μm까지 확장하면 강한 추가적인 물 신호(1.13 및 1.41 μm)를 탐색할 수 있으며, 감지된 및 가스가 비생물학적 과정(예: , CO, )에 의해 생성되었는지에 대한 증거를 탐색할 수도 있다.[10] ~2.5 μm까지의 추가적인 적외선 천문학 기능은 생물학적 과정과 일치할 수 있는 메테인()과 같은 이차적인 특징을 탐색할 수 있게 해준다. UV로 더 나아가면 0.3 μm의 오존 흡수를 기반으로 생물학적, 고- 대기와 비생물학적, 가 풍부한 대기를 구별할 수도 있다.[10]

분자 산소()는 지구 물리적 과정과 광합성에 의한 생명체의 부산물로 생성될 수 있으므로, 고무적이긴 하지만 는 환경적 맥락에서 고려되지 않는 한 확실한 생체 지표는 아니다.[11][12][13][14][15]

3. 3. 일반 천문학

일반 천체 측정 및 천체 물리학 관측은 외계 행성 과학 목표와 호환되면서 높은 과학적 성과를 낼 수 있는 경우에 수행될 수 있다. 현재 HabEx의 일반 천체 물리학 프로그램을 위한 광범위한 연구가 고려되고 있다. 여기에는 은하 누출성과 은하간 매질 재이온화 연구에서 광이온화 탈출 비율 측정, 은하 내외부 중입자 수명 주기 연구, 대규모 별 및 국소 환경 조건이 별 형성 속도와 역사에 미치는 영향 연구 등이 포함된다.[10] 암흑 물질의 본질을 규명하기 위한 국소 왜소 은하의 천체 측정 관측과 허블의 법칙 국소 값 정밀 측정 등도 가능하다.[10]

다음 표는 현재 HabEx 일반 천체 물리학에 대해 제안된 가능한 연구를 요약한다.[10]

과학적 동인관측파장
국소 허블의 법칙세페이드 변광성을 초신성 Ia형 호스트 은하에 이미지화광학-NIS
은하 누출성 및 재이온화은하의 UV 이미징 (LyC 광자 탈출 분율)UV, 바람직하게는 91 nm까지 LyC
우주적 중입자 주기배경 퀘이사의 흡수선에 대한 UV 이미징 및 분광법이미징: 115 nm까지
분광법: 91 nm까지
대규모 별/피드백은하수 및 인근 은하의 UV 이미징 및 분광법이미징: 110–1000 nm
분광: 120–160 nm
항성 고고학인근 은하의 개별 별에 대한 분해된 측광법광학: 500–1000 nm
암흑 물질국소 은하군 왜소 은하의 별에 대한 측광법 및 천체 측정 고유 운동광학: 500–1000 nm


4. 장비

장비설명목적
주경탐사선의 주된 거울천체 관측
부경주경이 모은 빛을 카메라로 전달하는 거울빛을 카메라로 전달
카메라부경에서 반사된 빛을 촬영하는 장치빛을 촬영
적외선 분광기적외선 관측 장비적외선 관측
전력공급장치우주망원경에 전력을 공급하는 장치전력 공급
트랜스폰더탐사선이 찍은 사진을 송신하는 장치사진 송신
반작용 휠망원경의 자세를 조정하는 장치망원경 자세 조정



스타쉐이드와 관측기


태양의 코로나그래프 이미지


과학적 동기 및 목적에 따라 연구자들은 가시광선 영역에서 반사된 별빛의 직접적인 이미지 촬영과 분광법을 고려하고 있으며, 자외선 및 근적외선 부분의 스펙트럼으로의 확장을 고려하고 있다. 망원경은 직경이 4m인 단일체 주 거울을 가지고 있다.

절대 최소 연속 파장 범위는 0.4~1 μm이며, 비용과 복잡성에 따라 0.3 μm 미만으로의 짧은 파장 확장 및 근적외선 확장(1.7 μm 또는 심지어 2.5 μm)이 가능하다.[10]

외계 대기의 특성화를 위해 더 긴 파장으로 이동하려면 팰컨 헤비에 별도로 발사될 52m 스타쉐이드[1] 또는 배경광의 양을 줄이기 위한 더 큰 망원경이 필요하다. 대안은 코로나그래프를 작게 유지하는 것이다. ~350 nm보다 짧은 파장에서 외계 행성을 특성화하려면 처리량을 유지하기 위해 완전히 UV에 민감한 고대비 광학 열차가 필요하며, 스타쉐이드 또는 코로나그래프 구조 모두에 대해 모든 파면 요구 사항을 더 엄격하게 만들 것이다.[10] 이러한 고해상도, 고대비 관측은 별과 은하의 형성 및 진화를 연구하기 위한 고유한 기능도 열어줄 것이다.

5. 발사

2021년 미국 국립 과학 아카데미는 10개년 조사에서 최종 권고 사항을 발표했다. NASA가 LUVOIR와 HabEx의 설계 요소를 결합한 새로운 6미터(20피트) 구경 망원경을 고려할 것을 권고했다. 이 새로운 망원경은 생명 가능한 세계 관측소(HWO)라고 불릴 것이다. 예비 발사일은 2040년으로 설정되었고 예산은 1100억달러로 추정되었다.[7][8][9]

6. 지원, 개발, 투자

NASA, JPL, 칼텍, 코넬 대학교, 록히드마틴이 HabEx 개발에 참여하고 있다.[4] 일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA), 국립 천문대, 도쿄 대학 등 일본 연구 기관들도 HabEx 계획에 참여하여 자외선 검출기 개발에 기여할 것으로 기대된다.[29][31] 일본은 전체 예산의 5% 정도를 부담하고 공동 관측에 참여할 예정이다.[30]

2016년, NASA는 제임스 웹 우주 망원경과 낸시 그레이스 로만 우주 망원경에 이어 차세대 대형 전략 과학 임무로 HabEx를 포함한 4개의 우주 망원경을 고려했다.[4] 2019년, 각 팀은 최종 보고서를 미국 국립 과학 아카데미에 제출했고, 2021년 미국 국립 과학 아카데미는 10개년 조사에서 LUVOIR와 HabEx의 설계 요소를 결합한 새로운 6미터 구경 망원경인 생명 가능한 세계 관측소(HWO)를 제안했다.[7][8][9] HWO의 발사 예정일은 2040년이며, 예상 예산은 1100억달러이다.[7][8][9]

참조

[1] 간행물 HabEx Final Report https://www.jpl.nasa[...] JPL/NASA 2019-08-29
[2] 웹사이트 HabEx Instruments Suite https://www.jpl.nasa[...] NASA JPL 2019-12-11
[3] 뉴스 NASA unveils initial plan for multibillion-dollar telescope to find life on alien worlds https://www.science.[...] Science.org 2023-01-09
[4] 뉴스 NASA Considers Its Next Flagship Space Telescope https://www.scientif[...] Scientific American 2016-03-30
[5] 웹사이트 The Habitable Exoplanet (HabEx) Imaging Mission Study https://cor.gsfc.nas[...] JPL (NASA) 2016-01-06
[6] 웹사이트 Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx) https://www.jpl.nasa[...] NASA 2017-10-15
[7] 뉴스 Astrophysics decadal survey recommends a program of flagship space telescopes https://spacenews.co[...] 2021-11-04
[8] 뉴스 A New 10-Year Plan for the Cosmos - On astronomers' wish list for the next decade: two giant telescopes and a space telescope to search for life and habitable worlds beyond Earth. https://www.nytimes.[...] 2021-11-04
[9] 뉴스 New Report Charts Path for Next Decade of Astronomy and Astrophysics; Recommends Future Ground and Space - Telescopes, Scientific Priorities, Investments in Scientific Community https://www.national[...] 2021-11-04
[10] 간행물 The Habitable Exoplanet (HabEx) Imaging Mission: preliminary science drivers and technical requirements SPIE 2016-08-24
[11] 논문 A New Family of Planets ? "Ocean Planets" 2004
[12] 논문 Extreme Water Loss and Abiotic O2 Buildup on Planets Throughout the Habitable Zones of M Dwarfs
[13] 논문 Titania may produce abiotic oxygen atmospheres on habitable exoplanets
[14] 논문 Exoplanet Habitability
[15] 논문 A Geologically Robust Procedure for Observing Rocky Exoplanets to Ensure that Detection of Atmospheric Oxygen Is a Modern Earth-like Biosignature
[16] 간행물 HabEx Final Report https://www.jpl.nasa[...] JPL/NASA 2019-08-29
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[21] 뉴스 New Report Charts Path for Next Decade of Astronomy and Astrophysics; Recommends Future Ground and Space - Telescopes, Scientific Priorities, Investments in Scientific Community https://www.national[...] 2021-11-04
[22] 웹사이트 The Habitable Exoplanet (HabEx) Imaging Mission Study https://cor.gsfc.nas[...] JPL (NASA) 2016-01-06
[23] 웹사이트 Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx) https://www.jpl.nasa[...] NASA 2017-10-15
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[25] 논문 A New Family of Planets ? "Ocean Planets" 2004
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[31] 웹사이트 Habitable Exoplanet Observatory - HabEx - - GOPIRA http://gopira.jp/sym[...] 2022-06-10
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[34] 웹인용 NASA Considers Its Next Flagship Space Telescope https://www.scientif[...] 2016-03-30
[35] 웹인용 Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx) https://www.jpl.nasa[...] 2018-06-01
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