IMAP (우주선)

3. 발사

2024년 발사될 예정이며, NASA의 LSP(Launch Services Program)의 일환으로 진행된다. 자세한 발사 장소는 아직 정해지지 않았다.

4. 미션

IMAP 우주선은 발사 후 지구에서 태양 방향으로 약 1500000km 떨어진 첫 번째 라그랑주 점(L1)으로 이동하여, L1 지점 주변의 리사주 궤도에서 최소 3년 동안 임무를 수행할 예정이다.^[6] 스핀 안정화 방식으로 운영되는 이 우주선은 10개의 과학 장비를 탑재하고 있으며, 태양풍과 성간 매질의 상호작용, 헬리오스피어의 경계, 우주 입자의 가속 과정 등을 연구하는 것을 주요 목표로 한다.^[5][6] 특히, 고에너지 중성 원자(ENA) 관측을 통해 태양계 외부 경계 지역의 모습을 파악하고, 성간 매질에서 직접 날아오는 중성 입자를 측정하여 헬리오스피어와 국지 성간 매질의 상호작용 및 입자 가속 메커니즘에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.^[5]

4. 1. 개요

4. 2. 과학적 목표

• 국지 성간 매질(LISM)의 조성과 특성에 대한 이해를 향상시킨다.
• 태양풍과 성간 매질이 상호 작용하는 경계 영역의 시간적, 공간적 진화에 대한 이해를 발전시킨다.
• 태양의 자기장과 국지 성간 매질(LISM)의 상호 작용과 관련된 과정을 식별하고 이해를 발전시킨다.
• 태양 근처, 헬리오스피어 및 헬리오시스에서 입자 주입 및 가속 과정을 식별하고 이해를 발전시킨다.

5. 과학 장비

5. 1. 고에너지 중성 원자 (ENA) 검출기

• '''IMAP-Lo''': 단일 픽셀 중성 원자 이미저로, 성간 중성(ISN) 원자인 수소(H), 헬륨(He), 산소(O), 네온(Ne), 중수소(D)의 에너지와 각도 분포를 측정한다. 또한, 황도면을 따라 180° 이상 넓은 범위를 관측하며, ENA 형태의 수소(H)와 산소(O)의 에너지별 전역 지도를 제공한다. IMAP-Lo는 성간 경계 탐사선(IBEX)에 탑재되었던 IBEX-Lo 장비에서 발전했지만, 훨씬 더 뛰어난 수집 능력을 갖추고 있다.^[6]

• '''IMAP-Hi''': 외부 태양권에서 오는 고에너지 ENA(수소, 헬륨 및 더 무거운 원소)를 측정하는 두 개의 동일한 단일 픽셀 이미저로 구성된다. 각 IMAP-Hi 이미저는 IBEX의 IBEX-Hi 이미저와 설계가 매우 유사하지만, 해상도, 측정 가능한 에너지 범위, 수집 능력 등에서 성능을 크게 개선한 주요 변경점이 적용되었다. 이 장비는 또한 비행 시간(TOF) 측정 시스템을 통합하여 ENA 입자의 종류를 식별할 수 있다.^[6]

• '''IMAP-Ultra''': 주로 약 3~300 keV 에너지 범위의 수소(H) 원자 형태인 ENA 방출을 촬영하여 헬리오시스와 그 너머 영역을 관측한다. 헬륨(He)과 산소(O)의 기여도 감지할 수 있다. Ultra 장비는 유럽 우주국(ESA)의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE) 임무를 위해 개발 중인 목성 및 가니메데용 목성 고에너지 중성 입자 이미저(JENI)와 거의 동일하다. Ultra와 JENI의 주요 차이점은 다음과 같다. 첫째, Ultra는 더 넓은 하늘 관측을 위해 IMAP 우주선의 회전축에 수직으로 장착된 복제품 1개(Ultra90)와 태양 반대 방향 회전축에서 45° 각도로 장착된 복제품 1개(Ultra45)를 사용한다. 둘째, 성간 라이먼-알파 광자에 의한 배경 신호를 줄이기 위해 마이크로채널판(MCP) 뒷면을 덮는 자외선(UV) 차단 필터막이 약간 더 두껍다.^[6]

5. 2. 하전 입자 검출기

• SWAPI (Solar Wind and Pickup Ion Instrument): 태양풍의 주요 이온(H⁺, He⁺⁺)과 성간 공간에서 유입된 후 태양풍에 의해 포획된 픽업 이온(성간 He⁺, H⁺ PUI)을 측정한다.^[6] 이 장비는 뉴 호라이즌스 탐사선의 SWAP(Solar Wind Around Pluto) 장비를 기반으로 개발되었으며, 일부 기능을 단순화하여 데이터 전송률과 감도를 높여 특히 픽업 이온 관측 성능이 개선되었다.^[6] SWAPI는 CoDICE, HIT와 함께 태양풍의 핵심 및 헤일로 이온, 성간 및 내부 소스 픽업 이온, SEP, 행성간 충격파, ACR 등에서 기원한 초열, 고에너지, 가속 이온에 대한 포괄적인 정보를 제공한다.^[6]

• SWE (Solar Wind Electron Instrument): 1 eV에서 5 keV 에너지 범위에 걸쳐 태양풍에 포함된 저에너지 전자(열전자 및 초열전자)의 3차원 분포를 측정한다.^[6] 율리시스의 SWOOPS, ACE의 SWEPAM, 제네시스의 GEM 장비 기술을 바탕으로 하며, 밴 앨런 탐사선의 HOPE 장비를 참고하여 전자 장치를 개선했다.^[6] SWE는 L1에서 직접 태양풍 전자를 측정하여, 다른 장비들의 고에너지 중성입자(ENA) 측정 결과를 해석하는 데 필요한 배경 정보를 제공하고, 입자 가속과 이동에 영향을 미치는 국지적인 우주 환경 구조를 파악하는 데 기여한다.^[6] SWE는 CoDICE, HIT와 함께 최대 1 MeV에 이르는 태양풍 이온 및 전자(코어, 헤일로, 스트라알), 고에너지 및 상대론적 전자의 에너지 및 각도 분포 정보도 제공한다.^[6]

• CoDICE (Compact Dual Ion Composition Experiment): 하나의 소형 장비 내에서 두 개의 다른 에너지 영역대의 하전 입자를 측정한다.^[6]
• CoDICELo: 정전 분석기와 비행 시간 측정(TOF/E) 시스템을 결합하여, 약 0.5–80 keV/q 에너지 범위의 이온에 대해 3차원 속도 분포, 전하 상태, 질량 조성을 측정한다.^[6]
• CoDICEHi: 동일한 비행 시간 측정(TOF/E) 시스템을 사용하여, 약 0.03–5 MeV/nuc 에너지 범위의 이온과 약 20–600 keV 에너지 범위의 전자에 대해 질량 조성과 입자가 날아온 방향을 측정한다.^[6]

• HIT (High-energy Ion Telescope): 고에너지 이온 망원경으로, 실리콘 반도체 검출기를 사용하여 고에너지 이온을 관측한다.^[6] 수소(H)부터 니켈(Ni)까지 다양한 이온의 원소 조성, 에너지 스펙트럼, 각도 분포, 도달 시간을 측정하며, 측정 에너지 범위는 이온 종류에 따라 다르지만 대략 핵자당 2 ~ 40 MeV 정도이다.^[6] STEREO 탐사선의 LET(Low Energy Telescope) 장비를 기반으로 설계되었으며, 넓은 관측 시야(큰 기하학적 계수)를 통해 하늘 전체를 효과적으로 관측할 수 있다.^[6] HIT 시야의 일부는 0.5 - 1.0 MeV 에너지 범위의 전자를 측정하는 데 최적화되어 있다.^[6] HIT는 SWAPI, CoDICE와 함께 다양한 고에너지 이온(SEP, ACR 등)과 가속 이온에 대한 상세 정보를 제공하여 입자 가속 메커니즘 연구에 기여한다.^[6]

5. 3. 기타 측정 장비

• '''IMAP 자력계 (MAG, Magnetometer)'''

• '''성간 먼지 실험 (IDEX, Interstellar Dust Experiment)'''

• '''전 지구 태양풍 구조 관측기 (GLOWS, GLObal solar Wind Structure)'''

6. 통신 및 데이터

IMAP는 NASA 심우주 네트워크(DSN)를 통해 일주일에 두 번, 각 4시간씩 통신할 예정이다. 이 시간을 통해 모든 명령을 우주선에 보내고, 일주일 동안 수집된 과학 데이터와 우주선 상태(하우스키핑) 데이터를 내려받으며, 우주선의 정확한 위치 파악(항법)에 필요한 거리 측정을 수행한다. DSN은 존스 홉킨스 대학교 응용 물리 연구소에 있는 IMAP 미션 운영 센터(MOC)와 통신하며, MOC가 우주선 운영을 담당한다. 모든 과학 데이터와 부가 데이터는 MOC를 거쳐 LASP에 위치한 과학 운영 센터(SOC)로 전달된다.^[7]

LASP의 IMAP SOC는 기기 운영의 모든 측면, 예를 들어 계획 수립, 명령 전송, 상태 점검, 문제 발생 시 대응, 기기 유지보수 등을 책임진다. 또한 SOC는 과학 데이터 처리(데이터 보정, 유효성 검증, 초기 분석 포함), 데이터 배포 및 보관, IMAP 데이터 관리 계획 유지 관리 업무도 수행한다. 과학 데이터는 각 기기 팀이 제공하고 관리하는 알고리즘, 소프트웨어, 보정 데이터를 사용하여 중앙에서 처리된다.

모든 과학 데이터 및 기타 데이터는 NASA 헬리오피직스 과학 데이터 관리 정책에 따라 개방형 데이터 정책을 통해 헬리오피직스 연구 커뮤니티와 최대한 빠르게 공유된다. NASA 우주 물리학 데이터 시설(SPDF)이 IMAP 데이터의 최종 보관소 역할을 하며, 데이터는 정기적으로 SPDF로 전송되어 해당 시설의 통합 데이터 분석 웹사이트(CDAWeb)를 통해 이용할 수 있게 된다.^[6]

7. 우주 기상 데이터

IMAP은 "IMAP 실시간 활성 링크"(I-ALiRT)를 통해 중요한 실시간 우주 기상 데이터를 제공할 예정이다. IMAP은 심우주 통신망(DSN)과 통신하지 않을 때, 전 세계 지원 지상국에 I-ALiRT용 과학 데이터의 작은 부분 집합(500 bit/s)을 지속적으로 방송할 것이다. DSN 추적 중에는 비행 시스템이 임무 운영 센터(MOC)가 DSN으로부터 수신하여 과학 운영 센터(SOC)로 전달하는 전체 속도 과학 데이터 스트림에 우주 기상 데이터를 포함시킨다. 어느 경우든, SOC는 이러한 실시간 관측을 처리하여 우주 기상 커뮤니티에서 필요로 하는 데이터 제품을 생성한다. 데이터에는 현재 첨단 구성 탐사선(ACE)에서 제공하는 모든 중요한 매개변수가 포함될 뿐만 아니라, 훨씬 더 높은 빈도로 제공되며 몇 가지 새로운 주요 매개변수도 포함되어 기존보다 향상된 정보를 제공할 것으로 기대된다.^[6]

8. 개발 및 지원

IMAP은 NASA의 태양 지구 탐사 프로그램의 다섯 번째 임무이다.^[10] 이 프로그램은 워싱턴 D.C.에 위치한 NASA 헬리오피직스 과학 부서를 위해 메릴랜드주 그린벨트에 있는 NASA 고다드 우주 비행 센터(GSFC)의 헬리오피직스 프로그램 사무소에서 관리한다.

임무의 주 연구원은 프린스턴 대학교의 데이비드 J. 맥코마스이다. 메릴랜드주 로렐에 위치한 존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구소(APL)는 프로젝트 관리를 제공한다.^[3] 주요 참여 기관으로는 NASA, GSFC, SwRI, 존스 홉킨스 대학교, 프린스턴 대학교 등이 있다.

이 임무는 스페이스X의 팰컨 9 발사체를 이용한 발사 비용을 제외하고 5.64억달러로 비용 상한선이 정해져 있다.^[11] 발사는 플로리다주 케이프커내버럴 우주군 기지(CCSFS)의 케이프커내버럴 우주 발사 단지 40(SLC-40)에서 이루어질 예정이다. 2020년 4월 기준으로 임무의 총 예상 비용은 7.077000000000001억달러에서 7.763억달러 사이로 추산된다.^[1]

9. 부가 임무 기회 (Missions of Opportunity)

미국 항공우주국(NASA)은 IMAP 우주선 아래에 EELV 2차 탑재체 어댑터 (ESPA)(EELV) 그란데 링을 포함하여, 4~5개의 2차 탑재체가 IMAP 발사에 함께 탑재될 기회를 제공할 계획이다.^[5] 이 2차 탑재체들은 IMAP가 지구-태양 L1 라그랑주 점으로 이동하기 위한 전이 궤도에 배치된 후에 분리될 예정이다. 일부 슬롯은 과학 임무 이사국의 다른 부서나 다른 정부 기관에서 사용할 수도 있다. 두 개의 슬롯 기회가 헬리오물리학 과학부에서 세 번째 독립 임무 기회 공고(SALMON-3) 프로그램 요소 부록(PEA)의 일환으로 경쟁을 통해 제공되었으며, 두 제안 모두 2018년 11월 30일까지 제출되었다. A 단계 연구에 대한 선정 결과는 2019년에 발표될 예정이었다.

2018년 태양물리학 과학 기회 임무(MoO)에 대한 기회 발표에는 IMAP ESPA Grande를 활용하여 보조 탑재체를 발사하는 소형 완전 임무(SCM)를 제안하는 옵션이 포함되었다. ESPA Grande 링의 최대 두 개의 포트가 과학 MoO에 할당될 수 있다. 탑재체는 NPR 8705.4에 정의된 대로 Class D로 지정된다.^[12]

2018년 태양 물리학 기술 시연(TechDemo) 기회 발표는 NASA의 태양 물리학 과학 목표와 목표에서 중요한 발전을 가능하게 하는 혁신적인 중간 기술 준비도 수준(TRL) 기술의 우주 비행 시연을 위한 SCM 제안을 요청했다. TechDemo 조사는 IMAP 임무와 함께 부차적인 탑재체로 비행하도록 제안되어야 한다. ESPA Grande 링의 최대 두 개의 포트가 TechDemo에 할당될 수 있다. 탑재체는 NPR 8705.4에 정의된 대로 Class D로 지정된다. 최종 후보 선정은 2020 회계 연도 3분기를 목표로 하였다.^[13]

참조

_[1] 웹사이트 GAO-20-405, NASA: Assessments of Major Projects https://www.gao.gov/[...] Government Accountability Office 2020-04-29
_[2] 간행물 NASA Awards Launch Services Contract for IMAP Mission https://www.nasa.gov[...] NASA 2020-09-25
_[3] 웹사이트 NASA Selects Mission to Study Solar Wind Boundary of Outer Solar System https://www.nasa.gov[...] NASA 2018-06-01
_[4] 웹사이트 Upcoming Missions https://public.ksc.n[...] 2024-07-01
_[5] 웹사이트 Announcement of Opportunity for Interstellar Mapping and Acceleration Probe https://nspires.nasa[...] NASA 2017-09-01
_[6] 논문 Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP): A New NASA Mission 2018-12
_[7] 웹사이트 Quick Facts: Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP) https://lasp.colorad[...] 2022-06-23
_[8] 웹사이트 GLOWS https://glows.cbk.wa[...]
_[9] 웹사이트 GLOWS (Global Solar Wind Structure) https://imap.princet[...]
_[10] 웹사이트 Solar Terrestrial Probes https://science.nasa[...] NASA
_[11] 웹사이트 NASA Awards Launch Services Contract for IMAP Mission https://www.nasa.gov[...] NASA 2020-09-25
_[12] 웹사이트 Announcement of Opportunity for 2018 Heliophysics Science Mission of Opportunity https://nspires.nasa[...] NASA 2017-09-26
_[13] 웹사이트 Announcement of Opportunity for 2018 Heliophysics Technology Demonstration Mission of Opportunity https://nspires.nasa[...] NASA
_[14] 웹인용 NASA Selects Mission to Study Solar Wind Boundary of Outer Solar System https://www.nasa.gov[...] 2018-06-02
_[15] 웹인용 Solar Terrestrial Probes https://science.nasa[...] 2018-06-15
_[16] 웹인용 NASA Selects Mission to Study Solar Wind Boundary of Outer Solar System https://www.nasa.gov[...] 2018-06-02
_[17] 웹인용 NASA Selects Mission to Study Solar Wind Boundary of Outer Solar System https://www.nasa.gov[...] 2018-06-02
_[18] 웹인용 NASA Selects Mission to Study Solar Wind Boundary of Outer Solar System https://www.nasa.gov[...] 2018-06-02