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RHESSI

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목차

1. 개요

RHESSI는 태양 플레어의 고에너지 현상을 연구하기 위해 개발된 NASA의 우주 망원경이다. 2002년 발사되어 2018년 임무가 종료될 때까지 운영되었으며, X선 및 감마선을 이용한 고해상도 이미징 및 분광학 연구를 수행했다. RHESSI는 회전 변조 콜리메이터 기술을 사용하여 태양 플레어에서 감마선을 최초로 촬영했으며, 지구 감마선 섬광을 정확하게 측정하는 최초의 위성이었다.

2. RHESSI의 제작 및 운영

HESSI는 고에너지 태양 물리학 분야의 선구자인 Reuven Ramaty 박사를 기리기 위해 2002년 3월 29일에 RHESSI로 이름이 변경되었다. 이는 NASA 과학자의 이름을 딴 최초의 우주 임무였다.[7] RHESSI는 고다드 우주 비행 센터의 의뢰를 받아 Spectrum Astro에서 제작되었으며, 캘리포니아주 버클리에 위치한 우주 과학 연구소에서 운영되었다. 2002년부터 2012년까지의 주요 연구자는 Robert Lin이었으며, 이후 Säm Krucker가 그 뒤를 이었다.[8] 우주선의 구체적인 구조와 탑재된 장비에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

2. 1. 우주선 구조

전체 우주선은 필요한 신호 변조를 제공하기 위해 회전했다. 고정된 네 개의 태양 전지판은 태양 벡터를 중심으로 회전을 안정시키는 데 충분한 자이로 모멘트를 제공하도록 설계되어, 우주선 자세 제어의 필요성을 크게 줄였다. 기기 검출기는 아홉 개의 고순도 게르마늄 결정으로, 각 결정은 기계식 냉각기로 극저온 온도까지 냉각되었다. 게르마늄은 광전 효과에 의한 검출뿐만 아니라 입사 광선의 전하 증착을 통한 고유 분광법을 제공했다. 이 결정들은 극저온 유지 장치에 보관되었으며, 낮은 전도율의 스트랩으로 장착되었다. 튜브형 망원경 구조는 우주선의 대부분을 형성하며, Ge 결정 위에 콜리메이터를 알려진 고정 위치에 고정하는 역할을 했다.

위성 버스는 구조 및 기계 장치, 전력 시스템(배터리, 태양 전지판 및 제어 전자 장치 포함), 자세 제어 시스템, 열 제어 시스템, 명령 및 데이터 처리 시스템(C&DH), 통신 시스템으로 구성되었다. 우주선 구조는 망원경 및 기타 구성 요소에 대한 지지대 역할을 했으며, 가볍지만 강한 알루미늄 부품으로 제작되었다. 장비 플랫폼은 무게를 더욱 줄이기 위해 벌집 구조를 가지고 있었다. 우주선은 애리조나주 길버트에서 Spectrum Astro, Inc.에 의해 제작되었다.[9]

영상 망원경 조립체는 망원경 튜브, 그리드 트레이, 태양 방향 시스템(SAS) 및 롤 각도 시스템(RAS)으로 구성되었다. 이 조립체는 스위스에 있는 폴 셰러 연구소에서 제작, 조립, 정렬 및 테스트되었다.[9] 앞면과 뒷면 그리드 트레이는 망원경 튜브에 부착되어 트레이의 분리 및 정렬을 유지했다. 아홉 개의 그리드가 망원경 튜브의 각 끝에 있는 그리드 트레이에 장착되었다. 이 그리드 쌍은 우주선이 망원경 튜브 축을 중심으로 회전함에 따라 태양 플레어 X선 및 감마선 방출의 투과를 검출기로 변조했다. 아홉 개의 검출기에서 변조된 계수율은 다른 에너지 대역에서 태양 플레어의 이미지를 구성하기 위해 지상의 컴퓨터에서 사용되었다. 다섯 개의 거친 그리드(정사각형)는 네덜란드의 Van Beek Consultancy에서 제작되었고, 네 개의 미세 그리드(원형)는 매사추세츠주의 Thermo Electron Tecomet에서 제작되었다. 모든 그리드는 영상 망원경 조립체에 통합되기 전에 고다드 우주 비행 센터에서 광학적으로와 X선으로 특성화되었다.[9]

분광계는 망원경의 아홉 개의 그리드 쌍 뒤에 위치한 아홉 개의 게르마늄 검출기를 포함했다. 이 인공적으로 성장된 결정은 1조 분의 1 이상으로 순수하며, Perkin Elmer Instruments의 ORTEC 부서에서 제조되었다.[10] 극저온 온도로 냉각하고 고전압(최대 4000 볼트)을 가하면 입사 X선 및 감마선을 전기 전류 펄스로 변환했다. 전류의 양은 광자의 에너지에 비례하며, 이는 캘리포니아주 버클리에 있는 로렌스 버클리 국립 연구소 및 우주 과학 연구소에서 설계된 민감한 전자 장치로 측정되었다.[10] 검출기는 SunPower Inc.에서 제작한 전기 기계식 스털링 사이클 냉각기로 냉각되었으며, 고다드 우주 비행 센터에서 비행 자격 시험을 받았다.[10] 이 냉각기는 -198°C 또는 절대 영도에서 75° 위에 해당하는 필요한 작동 온도를 유지했다.[10]

3. 과학적 목표

RHESSI는 약 3 keV의 부드러운 X-선부터 최대 약 20 MeV의 감마선에 이르는 광자를 이용하여 태양 플레어를 영상화하도록 설계되었다.[1] 또한 최대 약 20 MeV의 감마선 에너지에 대한 고해상도 분광법을 제공했으며, 공간적으로 분해된 분광법을 고해상도로 수행할 수 있는 능력을 갖추었다.[1] 이러한 성능을 바탕으로 태양 플레어 발생 시 전자, 양성자, 이온 등의 입자가 가속되는 과정과 관련된 고에너지 현상을 규명하는 것을 주요 과학적 목표로 삼았다.[1] 보다 자세한 연구 과정과 세부 목표는 하위 문단에서 다룬다.

3. 1. 연구 과정

연구자들은 플레어(태양 폭발) 동안 방출되는 에너지의 상당 부분이 매우 높은 에너지로 전자(주로 X-선 방출)와 양성자 및 기타 이온(주로 감마선 방출)을 가속시키는 데 사용된다고 본다. RHESSI 임무는 고해상도 분광법과 함께 경X-선 및 감마선에서의 고해상도 이미징을 처음으로 결합하는 새로운 접근 방식을 사용했다. 이를 통해 이미지의 각 지점에서 상세한 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있게 되었다. 이 새로운 접근 방식을 통해 연구자들은 이러한 입자들이 어디에서, 어떤 에너지로 가속되는지 파악할 수 있었다. 이러한 정보는 태양 플레어 현상의 핵심에서 일어나는 기본적인 고에너지 과정에 대한 이해를 높이는 데 기여한다.

RHESSI의 주요 과학적 목표는 플레어 동안 태양 대기의 자기화된 플라즈마에서 발생하는 다음 과정을 이해하는 것이었다.

  • 충동적인 에너지 방출
  • 입자 가속
  • 입자 및 에너지 수송


이러한 고에너지 과정은 자기권에서부터 활동성 은하에 이르기까지 우주 전체에서 중요한 역할을 한다. 따라서 이러한 과정을 이해하는 것은 태양 물리학 분야를 넘어 우주 물리학 및 천체 물리학의 주요 목표 중 하나로 여겨진다.

주요 연구 대상인 고에너지 과정은 다음과 같다.

  • 불안정한 자기 구성에 저장된 에너지의 급격한 방출
  • 이 에너지가 뜨거운 플라즈마와 가속된 입자(주로 전자, 양성자, 이온)의 운동 에너지로 빠르게 변환되는 과정
  • 가속된 입자들이 태양 대기를 통과하여 행성 간 공간으로 수송되는 과정
  • 주변 태양 대기가 후속적으로 가열되는 과정


이러한 과정들은 다음과 같은 극한의 물리적 조건과 관련되어 있다.

  • 수 GeV에 달하는 입자 에너지
  • 수천만 도에서 수억 도에 이르는 온도
  • 제곱센티미터당 1억 개 입자 수준의 낮은 밀도
  • 수만 킬로미터에 달하는 공간 규모
  • 수 초에서 수 시간에 이르는 자기적 구속 시간


이러한 조건은 지구의 실험실 환경에서는 재현하는 것이 불가능하다.

전자의 가속은 경X-선 및 감마선 제동 복사를 통해 관측되며, 양성자 및 이온의 가속은 감마선 선 스펙트럼 및 연속 스펙트럼을 통해 드러난다. 태양은 다른 어떤 우주 천체보다 지구에 가깝기 때문에, 이러한 고에너지 방출 현상을 훨씬 더 강렬하게 관측할 수 있을 뿐만 아니라 공간적, 시간적으로도 더 정밀하게 분해하여 연구할 수 있다는 장점이 있다.

4. 영상 촬영

RHESSI는 태양 플레어를 부드러운 X선(약 3 keV)부터 감마선(최대 약 20 MeV)에 이르는 넓은 에너지 범위의 광자로 영상화하도록 설계되었다. 또한 최대 약 20 MeV 에너지의 감마선에 대해 고해상도 분광법을 제공하며, 공간적으로 분해된 분광법을 수행할 수 있는 능력도 갖추었다.

X선은 일반적인 렌즈나 거울을 사용하여 쉽게 반사하거나 굴절시키기 어렵기 때문에, RHESSI는 X선을 선택적으로 차단하여 이미지를 재구성하는 방식을 사용했다. 이를 위해 거울이나 렌즈 대신 9개의 회전 변조 콜리메이터(RMC) 세트를 활용했다.[9] 각 RMC는 우주선의 회전에 따라 태양에서 오는 X선 및 감마선 방출을 변조시키고, 아홉 개의 검출기에서 측정된 이 변조된 계수율은 지상 컴퓨터에서 다양한 에너지 대역의 태양 플레어 이미지를 구성하는 데 사용되었다.[9] (RMC의 자세한 작동 원리는 아래 문단 참조)

또한 RHESSI는 태양 방향뿐만 아니라 다른 방향에서 오는 감마선도 관측할 수 있었다. 특히 에너지가 높은 감마선은 우주선 구조를 통과하여 모든 각도에서 검출기에 도달할 수 있는데, 이 특징을 이용하여 감마선 폭발(GRB)과 같은 우주 현상을 관측하는 데 활용되었다. (자세한 관측 방법은 아래 문단 참조)

4. 1. 회전 변조 콜리메이터(RMC)

X선은 일반적인 렌즈나 거울로 반사하거나 굴절시키기 어렵기 때문에 X선 영상 촬영은 쉽지 않다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 X선을 특정 방향에 따라 선택적으로 차단하여 이미지를 재구성하는 것이다. RHESSI의 영상 능력은 이러한 원리를 이용한 푸리에 변환 기술에 기반하며, 거울이나 렌즈 대신 9개의 회전 변조 콜리메이터(RMC) 세트를 사용했다.

각 RMC는 간격이 넓은 격자와 미세한 선형 격자, 이렇게 두 개의 격자로 구성된다. RHESSI 우주선이 회전하면, 이 격자들은 태양에서 오는 X선을 주기적으로 가렸다 통과시키기를 반복하며 시간에 따라 광자 신호를 변조시킨다. 즉, 공간에 대한 정보가 시간 변화에 담기게 되므로, 공간 분해능이 없는 검출기로도 변조된 신호를 측정하여 영상 정보를 얻을 수 있다. 단일 RMC가 반 바퀴 회전하는 동안 측정된 변조 패턴은 다양한 각도 방향에서의 많은 공간 푸리에 성분(진폭과 위상) 정보를 제공하지만, 제한된 범위의 공간 소스 크기 정보만 얻을 수 있다.

이 때문에 RHESSI는 서로 다른 슬릿(틈) 폭을 가진 여러 개의 RMC를 사용하여 태양 플레어에서 발생하는 다양한 크기의 소스를 모두 관측할 수 있도록 설계되었다. 이렇게 측정된 여러 푸리에 성분 세트를 이용하여, 마치 여러 개의 안테나를 사용하는 전파 간섭계와 수학적으로 동일한 방식으로 이미지를 재구성했다. RHESSI는 이를 통해 약 4 keV에서 100 keV 에너지 범위의 X선에 대해 2 각초(arcsecond)의 공간 분해능을 달성했으며, 약 400 keV 에너지에서는 7 각초, 1 MeV 이상의 감마선 및 연속 방출에 대해서는 36 각초의 공간 분해능을 제공했다.

4. 2. 감마선 관측

RHESSI는 태양 외 방향에서 오는 감마선도 관측할 수 있었다. 에너지가 더 높은 감마선은 우주선 구조를 통과하여 모든 각도에서 검출기에 영향을 미쳤다. 이 방식은 주로 감마선 폭발(GRB) 관측에 사용되었다. 입사하는 감마선은 회전 변조 콜리메이터의 격자에 의해 변조되지 않았기 때문에, 위치나 영상 정보는 직접 기록되지 않았다.

하지만 검출기에 전면과 후면 픽업이 있다는 점을 이용하여 대략적인 위치를 파악할 수 있었다. 감마선 폭발이 발생하면, 폭발 방향에 가까운 검출기가 멀리 있는 검출기를 가리는 차폐 효과가 나타났다. 아홉 개의 게르마늄 결정 검출기에서 감지된 신호 강도와 전후면 정보를 비교하여, 감마선 폭발이 발생한 대략적인 2차원 위치를 추정할 수 있었다.

더 정확한 위치는 검출기에 기록된 고해상도 시간 기록(타임 스탬프)을 활용하여 얻을 수 있었다. RHESSI의 관측 데이터를 행성간 네트워크(IPN)에 속한 다른 우주선의 데이터와 삼변측량법으로 교차 분석하여, 감마선 폭발의 정확한 위치를 계산했다. 게르마늄 결정 검출기의 넓은 면적과 높은 감도 덕분에 RHESSI는 IPN에서 중요한 역할을 수행했다. 다른 우주선이 폭발 위치 정보를 제공하더라도, RHESSI만큼 시간 및 에너지 측면에서 고품질의 폭발 스펙트럼을 제공하는 경우는 드물었다.

드물게 감마선 폭발이 RHESSI의 시준된 시야, 즉 태양 근처에서 발생하는 경우도 있었다. 이때는 감마선이 격자를 통과하며 변조되었기 때문에, RHESSI는 IPN의 도움 없이도 단독으로 정확한 감마선 폭발 위치를 파악할 수 있었다.

5. 실험

(내용 없음 - 하위 섹션에서 상세 내용을 다루고 있으므로 중복 서술을 피함)

5. 1. 루벤 라마티 고에너지 태양 분광 이미저 (RHESSI)

HESSI는 고에너지 태양 물리학 분야의 선구자인 Reuven Ramaty 박사를 기리기 위해 2002년 3월 29일에 RHESSI(Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager)로 이름이 변경되었다. 이는 NASA 과학자의 이름을 딴 최초의 우주 임무였다.[7] RHESSI는 고다드 우주 비행 센터를 위해 Spectrum Astro에서 제작되었으며, 캘리포니아주 버클리의 우주 과학 연구소에서 운영되었다. 2002년부터 2012년까지의 주요 연구자는 Robert Lin이었고, 이후 Säm Krucker가 그 뒤를 이었다.[8]

위성 전체는 신호 변조를 위해 회전하도록 설계되었다. 고정된 네 개의 태양 전지판은 태양 방향을 중심으로 회전을 안정시키는 데 필요한 자이로스코프 모멘트를 제공하여 우주선 자세 제어의 필요성을 크게 줄였다. 핵심 장비인 검출기는 아홉 개의 고순도 게르마늄 결정으로 이루어져 있었다. 각 결정은 기계식 냉각기를 통해 극저온 상태로 냉각되었다. 게르마늄은 광전 효과를 이용한 검출뿐만 아니라, 입사된 광선으로부터 전하를 축적하여 자체적으로 분광 분석 기능을 수행했다. 이 결정들은 극저온 유지 장치 내부에 낮은 열전도율을 가진 스트랩으로 고정되었다. 망원경 구조는 기다란 튜브 형태로 위성의 주요 부분을 이루었으며, 게르마늄 결정 위에 콜리메이터를 정확한 위치에 고정하는 역할을 했다.

위성 버스는 구조 및 기계 장치, 전력 시스템(배터리, 태양 전지판, 제어 전자 장치 포함), 자세 제어 시스템, 열 제어 시스템, 명령 및 데이터 처리 시스템(C&DH), 통신 시스템으로 구성되었다. 위성 구조는 망원경과 다른 부품들을 지지하는 역할을 했으며, 가볍고 강한 알루미늄으로 제작되었다. 장비 플랫폼은 무게를 줄이기 위해 벌집 구조를 채택했다. 위성은 애리조나주 길버트에 위치한 Spectrum Astro, Inc.에서 제작되었다.[9]

영상 망원경 조립체는 망원경 튜브, 그리드 트레이, 태양 방향 시스템(SAS), 롤 각도 시스템(RAS)으로 구성되었다. 이 조립체는 스위스의 폴 셰러 연구소에서 제작, 조립, 정렬 및 테스트되었다. 앞면과 뒷면의 그리드 트레이는 망원경 튜브에 부착되어 트레이 간의 간격과 정렬을 유지했다. 아홉 개의 그리드가 망원경 튜브 양 끝의 그리드 트레이에 장착되었다. 위성이 망원경 튜브 축을 중심으로 회전함에 따라, 이 그리드 쌍들은 태양 플레어에서 방출되는 X선 및 감마선이 검출기에 도달하는 것을 조절(변조)했다. 아홉 개의 검출기에서 측정된 변조된 신호는 지상의 컴퓨터에서 다양한 에너지 대역별 태양 플레어 이미지를 재구성하는 데 사용되었다. 다섯 개의 거친 그리드(정사각형)는 네덜란드의 Van Beek Consultancy에서, 네 개의 미세 그리드(원형)는 매사추세츠주의 Thermo Electron Tecomet에서 제작되었다. 모든 그리드는 영상 망원경 조립체에 통합되기 전 고다드 우주 비행 센터에서 광학 및 X선 특성 평가를 거쳤다.[9]

분광계는 망원경의 아홉 개 그리드 쌍 뒤에 위치한 아홉 개의 게르마늄 검출기로 구성되었다. 이 인공 결정들은 1조 분의 1 이상으로 순수하며, Perkin Elmer Instruments의 ORTEC 부서에서 제조되었다. 극저온으로 냉각되고 고전압(최대 4,000 볼트)이 가해지면, 입사하는 X선과 감마선을 전기 전류 펄스로 변환했다. 전류의 크기는 광자의 에너지에 비례하며, 이는 캘리포니아주 버클리의 로렌스 버클리 국립 연구소와 우주 과학 연구소에서 설계한 민감한 전자 장치로 측정되었다. 검출기는 SunPower Inc.에서 제작하고 고다드 우주 비행 센터에서 비행 자격 시험을 거친 전기 기계식 스털링 사이클 냉각기로 냉각되었다.[10] 이 냉각기는 작동에 필요한 온도인 -198°C(절대 영도에서 75° 위에 해당)를 유지했다.

RHESSI는 X선과 감마선 영역에서 태양 플레어를 고해상도로 촬영하기 위해 설계되었다. 관측 가능한 에너지 범위는 3 keV에서 20 MeV이며, 에너지 분해능은 약 1 keV, 공간 분해능은 수 각초에 불과했다. 영상 촬영은 태양을 향해 회전축과 평행하게 장착된 45cm x 170cm 튜브를 이용했다. 이 튜브에는 9cm 너비의 텅스텐 또는 몰리브덴 와이어 그리드 아홉 쌍이 1.5m 간격으로 앞뒤에 배치되어 있었다. 위성은 15 rpm의 속도로 축을 중심으로 회전했다. 회전하는 동안 태양의 특정 지점에서 오는 광자는 그리드 쌍을 통과하거나 차단되면서 강도가 변조되었다. 변조 정도는 회전축에 정확히 일치하는 광자에서는 0이었고, 축에서 벗어날수록 점차 커졌다. 각 그리드 쌍 뒤에는 지름 7.1cm, 두께 8.5cm의 극저온(75 K) 게르마늄 검출기가 있었다. 주어진 에너지에서 아홉 개 검출기의 출력을 푸리에 변환 분석하여 태양 표면의 확장된 광원에 대한 완전한 2차원 공간 스펙트럼을 얻을 수 있었다. 각 와이어 그리드 쌍은 서로 다른 슬릿 폭, 간격, 와이어 두께를 가졌기 때문에 전체 공간 스펙트럼 구성이 가능했다. 데이터는 10분 회전 동안 약 16 Gb가 축적되었다. 원격 측정 데이터는 버클리(캘리포니아주), 월롭스 비행 시설(버지니아주), 산티아고(칠레), 바일하임(독일)에서 수신되었다. 데이터의 과학적 분석에는 여러 지상 및 위성 기반 태양 관측소와의 긴밀한 협력이 포함되었다. RHESSI의 부가적인 목표 중 하나는 게 성운과 같은 천문학적 대상을 관측하는 것이었다.

6. 연구 성과

RHESSI의 관측은 태양 플레어, 특히 플레어의 고에너지 과정에 대한 이해를 넓히는 데 기여했다. RHESSI 관측 결과는 학술 저널에 수많은 논문으로 게재되었고, 학회에서도 발표되었다. 2017년까지 RHESSI는 2,474건의 간행물, 서적, 발표 자료에 인용되었다.[12] "태양 플레어의 고에너지 측면: RHESSI에서 영감을 받은 단행본"[13]이라는 제목의 단행본에는 2011년까지 RHESSI가 수행한 태양 플레어 연구에 대한 검토 내용이 담겨 있다.


  • RHESSI는 태양 플레어에서 발생하는 감마선을 최초로 촬영한 위성이었다.[14]
  • 뇌우에서 발생하는 지구 감마선 섬광(TGF)을 정확하게 측정하는 최초의 위성이었으며, 이러한 섬광이 기존에 생각했던 것보다 더 자주 발생하고 방출되는 감마선의 주파수가 우주에서 기원하는 감마선의 평균 주파수보다 높다는 사실을 발견했다.

참조

[1] 웹사이트 RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) https://directory.eo[...] European Space Agency (ESA) 2021-03-16
[2] 웹사이트 RHESSI Mission Facts http://hesperia.gsfc[...] NASA 2015-09-03
[3] 웹사이트 Launch Log https://planet4589.o[...] Jonathan's Space Report 2021-12-03
[4] 웹사이트 NASA Retired Solar Energy Imager Spacecraft Reenters Atmosphere https://www.nasa.gov[...] 2023-04-24
[5] 웹사이트 Trajectory: RHESSI (Explorer 81) 2002-004A https://nssdc.gsfc.n[...] 2021-12-03
[6] 웹사이트 RHESSI - Concept to Fruition http://research.ssl.[...] Space Sciences Laboratory 2015-01-15
[7] 뉴스 New solar flare satellite gets renamed, now on line http://spaceflightno[...] Spaceflight Now 2015-01-15
[8] 웹사이트 RHESSI Principal Investigator Appointment http://hesperia.gsfc[...] 2013-04-09
[9] 웹사이트 Spacecraft Bus https://hesperia.gsf[...] NASA 2021-03-16
[10] 웹사이트 HESSI Instrument Cryocooler https://hesperia.gsf[...] NASA 2022-08-28
[11] 웹사이트 Experiment: Reuven Ramaty High-Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) https://nssdc.gsfc.n[...] NASA 2021-12-03
[12] 웹사이트 All Refereed RHESSI Publications, 1998 to present https://hesperia.gsf[...] NASA 2019-02-21
[13] 간행물 High-Energy Aspects of Solar Flares: A RHESSI-inspired monograph https://link.springe[...]
[14] 논문 First Gamma-Ray Images of a Solar Flare 2003-10
[15] 웹사이트 RHESSI https://hesperia.gsf[...] NASA 2019-02-21
[16] 웹사이트 NASA Retires Prolific Solar Observatory After 16 Years https://www.nasa.gov[...] NASA 2021-12-03
[17] 뉴스 Sun-Watching Spacecraft Sees 40,000 Solar Flares in 10 Years http://www.space.com[...] Space.com 2020-12-12
[18] 웹사이트 NASA Retires Prolific Solar Observatory After 16 Years https://www.nasa.gov[...] NASA 2020-12-12


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