라이트버드
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1. 개요
라이트버드는 우주 마이크로파 배경(CMB)의 편광을 측정하여 원시 중력파를 탐색하는 것을 목표로 하는 위성 계획이다. 우주 탄생 초기의 인플레이션 이론을 검증하기 위해, 약 10-38초에 발생한 원시 중력파를 감지하여 주요 인플레이션 모델을 실험적으로 테스트할 예정이다. 일본, 미국, 캐나다, 유럽 과학자들로 구성된 국제 팀이 설계 컨셉을 연구하며, 위성 시스템 및 발사는 일본이 담당하고, 미션 장비는 여러 국가가 분담한다. 라이트버드는 2대의 망원경을 탑재하여 3년간 전천 탐사를 진행하며, 40 GHz에서 400 GHz까지의 주파수 대역을 측정한다.
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| 라이트버드 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 임무 유형 | 우주 관측 |
| 운영 기관 | JAXA / ISAS |
| 웹사이트 | https://www.isas.jaxa.jp/en/missions/spacecraft/future/litebird.html |
| 임무 기간 | 계획: 3년 |
| 우주선 | |
| 제작사 | 우주과학연구소 |
| 건조 질량 | 약 450 kg |
| 전력 | 500 W 미만 |
| 발사 | |
| 발사 예정일 | 2032년 (예정) |
| 발사 로켓 | H3 |
| 발사 장소 | 다네가시마 LA-Y2 |
| 발사 계약자 | 미쓰비시 중공업 |
| 관측 장비 | |
| 망원경 종류 | 저주파 망원경 (LFT): 40 cm 고주파 망원경 (HFT): 20 cm |
| 망원경 초점 거리 | ~1,100 mm |
| 관측 장비 | 초전도 편광계 |
| 통신 | |
| 데이터 전송량 | 10 Gb/일 |
| 프로그램 | |
| 프로그램 종류 | 대형 임무 |
| 이전 임무 | MMX |
2. 역사적 배경
20세기 후반에 제창된 인플레이션 이론은 우주가 탄생한 후 빅뱅에 이르기까지 그 체적이 급격한 가속 팽창을 겪었다고 하며 널리 받아들여지고 있다. 인플레이션 이론에서는 탄생 직후의 우주에 존재했던 양자 요동이 이 급격한 팽창으로 인해 늘어난 결과, 원시 중력파가 생겨난다고 예측하고 있다. 이 원시 중력파는 우주 탄생으로부터 약 38만 년 후의 우주 공간을 채우고 있으며, 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)의 편광에 "B 모드"라고 불리는 특징적인 소용돌이 패턴을 그 흔적으로 남기고 있다고 생각된다.
2. 1. 인플레이션 이론과 B 모드 편광
우주론적 인플레이션은 빅뱅 이론이라고 불리는 우주의 첫 순간에 대한 주요 이론이다. 인플레이션은 우주가 형성된 직후 급격한 팽창을 겪었다고 가정하며, 우주론적 관측에 대한 설득력 있는 설명을 제공한다.[8] 인플레이션은 원시 중력파가 우주의 시작 후 약 10−38초인 인플레이션 시대에 생성되었을 것이라고 예측한다.[9] 원시 중력파는 CMB 편광 지도에 B-모드라고 불리는 특수한 패턴으로 각인될 것으로 예상된다.[1] CMB 복사의 편광 측정은 원시 중력파를 감지하는 최고의 탐사 수단으로 간주되며,[10] 이는 우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 심오한 지식을 가져다 줄 수 있으며, 초끈 이론을 포함한 양자 중력의 이론적 예측을 테스트하는 새로운 시대를 열 수 있다.[1]''라이트버드''의 과학적 목표는 δr <0.001의 감도로 전체 하늘에 걸쳐 CMB 편광을 측정하는 것이며, 이를 통해 주요 단일장 완속 롤 인플레이션 모델을 실험적으로 테스트할 수 있다.[1][11] 설계 컨셉은 일본, 미국, 캐나다 및 유럽의 과학자들로 구성된 국제 팀에서 연구하고 있다.[1][12]
20세기 후반에 제창된 인플레이션 이론은, 우주가 탄생한 후 빅뱅에 이르기까지 그 체적이 급격한 가속 팽창을 겪었다고 하며, 널리 받아들여지고 있다. 인플레이션 이론에서는, 탄생 직후의 우주에 존재했던 양자 요동이 이 급격한 팽창으로 인해 늘어난 결과, 원시 중력파가 생겨난다고 예측하고 있다. 이 원시 중력파는, 우주 탄생으로부터 약 38만 년 후의 우주의 재결합에서도 우주 공간을 채우고 있으며, 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)의 편광에 "B 모드"라고 불리는 특징적인 소용돌이 패턴을 그 흔적으로 남기고 있다고 생각된다. B 모드 편광의 검출은 인플레이션 이론의 결정적인 증거가 될 수 있지만, 2019년 현재 성공한 사례는 존재하지 않는다. LiteBIRD는, 이 B 모드 편광의 검출(및 원시 중력파의 검출)을 2020년대에 실현할 가능성이 있는 세계 유일의 위성 계획이다. 또한, 인플레이션 이론의 검증에 그치지 않고, 초끈 이론에 대표되는 양자 중력 이론의 실험·관측에 의한 검증의 가능성을 열어갈 것으로 기대되고 있다.
2. 2. B 모드 편광 탐색의 중요성
우주론적 인플레이션은 빅뱅 이론이라고 불리는 우주의 첫 순간에 대한 주요 이론이다. 인플레이션은 우주가 형성된 직후 급격한 팽창을 겪었다고 가정하며, 우주론적 관측에 대한 설득력 있는 설명을 제공한다.[8] 인플레이션은 원시 중력파가 우주의 시작 후 약 10−38초인 인플레이션 시대에 생성되었을 것이라고 예측한다.[9] 원시 중력파는 CMB 편광 지도에 B-모드라고 불리는 특수한 패턴으로 각인될 것으로 예상된다.[1] CMB 복사의 편광 측정은 원시 중력파를 감지하는 최고의 탐사 수단으로 간주되며,[10] 이는 우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 심오한 지식을 가져다 줄 수 있으며, 초끈 이론을 포함한 양자 중력의 이론적 예측을 테스트하는 새로운 시대를 열 수 있다.[1]''라이트버드''의 과학적 목표는 δr <0.001의 감도로 전체 하늘에 걸쳐 CMB 편광을 측정하는 것이며, 이를 통해 주요 단일장 완속 롤 인플레이션 모델을 실험적으로 테스트할 수 있다.[1][11]
20세기 후반에 제창된 인플레이션 이론은 우주가 탄생한 후 빅뱅에 이르기까지 그 체적이 급격한 가속 팽창을 겪었다고 하며 널리 받아들여지고 있다. 인플레이션 이론에서는 탄생 직후의 우주에 존재했던 양자 요동이 이 급격한 팽창으로 인해 늘어난 결과, 원시 중력파가 생겨난다고 예측하고 있다. 이 원시 중력파는 우주 탄생으로부터 약 38만 년 후의 우주의 재결합에서도 우주 공간을 채우고 있으며, 우주 마이크로파 배경 복사 (CMB)의 편광에 "B 모드"라고 불리는 특징적인 소용돌이 패턴을 그 흔적으로 남기고 있다고 생각된다. B 모드 편광의 검출은 인플레이션 이론의 결정적인 증거가 될 수 있지만, 2019년 현재 성공한 사례는 존재하지 않는다. 라이트버드는 이 B 모드 편광의 검출(및 원시 중력파의 검출)을 2020년대에 실현할 가능성이 있는 세계 유일의 위성 계획이다. 또한, 인플레이션 이론의 검증에 그치지 않고, 초끈 이론에 대표되는 양자 중력 이론의 실험·관측에 의한 검증의 가능성을 열어갈 것으로 기대되고 있다.
3. 미션의 배경
우주론적 인플레이션은 빅뱅 이론에서 우주의 초기 상태를 설명하는 주요 이론이다. 인플레이션 이론에 따르면, 우주는 탄생 직후 급격하게 팽창했으며, 이는 우주론적 관측 결과를 설명하는 데 중요하다.[8] 인플레이션은 원시 중력파가 우주 탄생 후 약 10−38초에 생성되었다고 예측한다.[9] 이 원시 중력파는 우주 마이크로파 배경 (CMB) 편광 지도에 B-모드라는 패턴으로 나타날 것으로 예상된다.[1] CMB 복사의 편광 측정은 원시 중력파를 탐색하는 유력한 방법이며,[10] 이는 우주 탄생의 비밀을 밝히고 초끈 이론 등 양자 중력 이론을 검증하는 계기가 될 수 있다.[1]
3. 1. 목적
우주론적 인플레이션은 빅뱅 이론이라고 불리는 우주의 첫 순간에 대한 주요 이론이다. 인플레이션은 우주가 형성된 직후 급격한 팽창을 겪었다고 가정하며, 우주론적 관측에 대한 설득력 있는 설명을 제공한다.[8] 인플레이션은 원시 중력파가 우주의 시작 후 약 10−38초인 인플레이션 시대에 생성되었을 것이라고 예측한다.[9] 원시 중력파는 CMB 편광 지도에 B-모드라고 불리는 특수한 패턴으로 각인될 것으로 예상된다.[1] CMB 복사의 편광 측정은 원시 중력파를 감지하는 최고의 탐사 수단으로 간주되며,[10] 이는 우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 심오한 지식을 가져다 줄 수 있으며, 초끈 이론을 포함한 양자 중력의 이론적 예측을 테스트하는 새로운 시대를 열 수 있다.[1]''라이트버드''의 과학적 목표는 δr <0.001의 감도로 전체 하늘에 걸쳐 CMB 편광을 측정하는 것이며, 이를 통해 주요 단일장 완속 롤 인플레이션 모델을 실험적으로 테스트할 수 있다.[1][11] 설계 컨셉은 일본, 미국, 캐나다 및 유럽의 과학자들로 구성된 국제 팀에서 연구하고 있다.[1][12] CMB 편광을 정밀 관측하여 우주 탄생 후 약 10-38초에 일어났다고 여겨지는 인플레이션 시대에 발생한 원시 중력파를 탐색하고, 대표적인 인플레이션 이론을 검증한다.
3. 2. 추진 경과
2008년 9월, 고에너지 가속기 연구기구(KEK)의 하즈미 마사시를 중심으로 워킹 그룹이 설립되어 ISAS의 우주과학위원회에 신청되면서 연구가 시작되었다.[1] 2015년 2월, ISAS에 "전략적 중형 계획"의 후보로 정식 제안되었다.[2] 2016년 5월, ISAS의 국제 과학 심사회와 2016년 8월 페이즈 A1 준비 심사회를 통과했고, 2016년 9월부터 2년간 "프리 페이즈 A2"(구 페이즈 A1)로 개념 설계 검토가 이루어졌다.[3] 2017년 2월, 일본학술회의의 "마스터 플랜 2017"에서 28건의 중점 대형 연구 계획 중 하나로 지정되었다.[4] 2018년 11~12월에 걸쳐 진행된 프리 페이즈 A2 종료 심사 결과, 예정된 계획을 충족하고 있음이 확인되었고, 2019년 5월 14일 ISAS로부터 전략적 중형 2호기로 선정되었다.[5]원시 중력파를 감지하려는 위성 계획으로, 유럽 우주국(ESA)의 COrE와 미국 항공우주국(NASA)의 PIXIE가 동시기에 검토되었지만, COrE는 비용 문제, PIXIE는 다른 계획과의 경합으로 인해 채택되지 않아, 2020년대에 원시 중력파를 감지할 가능성이 있는 위성 계획은 LiteBIRD만이 남게 되었다.[6]
3. 3. 국제 협력
위성 계획은 우주항공연구개발기구(JAXA)가 담당하며, 프로젝트 매니저(PM)는 우주과학연구소(ISAS)에 배치된다。관측 장치의 개발은 주 연구자(PI)의 지휘 하에, 대학 공동 이용 및 국제 협력의 틀 내에서 진행된다。2019년 5월 현재, 하즈미 마사시(KEK)가 PI를 맡고 있다。| 기관 | 역할 |
|---|---|
| 카브리 수리물리 우주 연구 기구 | 데이터 분석 파이프라인 구축, 데이터 분석, 보정, 광학계 설계・개발 |
| 우주항공연구개발기구/우주과학연구소 | 프로젝트 매니지먼트, 시스템 설계, 미션계 설계・제작・시험, 위성 버스부 설계・제작, 위성 조립・시험, 발사, 운용 |
| 고에너지 가속기 연구 기구/종합 연구 대학원 대학 | 지상 관측에서의 기술 실증, 미션부 설계・개발・시험 |
| 오카야마 대학・스탠퍼드 대학교 | 계통 오차의 추정・방사선 내성 시험 |
| 나고야 대학・요코하마 국립 대학・막스 플랑크 천체물리 연구소 | 전경 방사 제거 |
| 국립 천문대・캘리포니아 대학교・오사카부립대학・사이타마 대학・쓰쿠바 대학・코난 대학 | 광학계, 검출기 개발 |
| 핵융합 과학 연구소・간세이 가쿠인 대학・도쿄 대학 대학원 이학계 연구과・이학부・오사카 대학・정보통신연구기구・도쿄 공업 대학・도호쿠 대학・이화학연구소・Astroparticle and Cosmology Laboratory|APC 파리영어・카디프 대학교・파리 ILP・콜로라도 대학교・맥길 대학교・미국 국립 표준 기술 연구소 | 실현 가능성 검토, 미션부 설계・개발・시험에 참여 |
위성 시스템 및 발사는 일본이 담당한다。미션 장비는 일본 외에도 유럽(ESA, 프랑스), 미국, 캐나다가 분담한다。이탈리아 우주국은 2018년 1월부터 페이즈 A 검토에 참여하여 중고주파 망원경 MHFT의 검토를 실시했다。
4. 관측 장비 및 구조
''라이트버드''는 우주 마이크로파 배경(CMB)을 은하 방출로부터 분리하기 위해 2대의 망원경을 탑재하여 40 GHz에서 400 GHz까지의 주파수 대역을 측정한다.[1] 저주파수 망원경(LFT)은 40 GHz에서 235 GHz까지, 고주파수 망원경(HFT)은 280 GHz에서 400 GHz까지의 주파수 대역을 담당한다. LFT는 400 mm 구경의 교차 드라곤 망원경을 사용하며, HFT는 2개의 실리콘 렌즈를 갖춘 200 mm 구경의 축상 굴절 망원경을 사용한다.[1][13] 기본적인 설계는 2,622개의 초전도 편광 검출기 배열을 고려하고 있다.[1][13] 전체 광학 시스템은 열 방출을 최소화하기 위해 약 5°C까지 냉각될 것이며,[14] 초점면은 2단계 서브 켈빈 냉각기를 사용하여 100 mK까지 냉각된다.[1]
4. 1. 관측 장비
''라이트버드''는 우주 마이크로파 배경(CMB)을 은하 방출로부터 분리하기 위해 2대의 망원경을 탑재하여 3년간 전천 탐사를 진행한다. 40 GHz에서 400 GHz까지의 주파수 대역을 측정하며,[1][1] 저주파수 망원경(LFT)과 중고주파 망원경(MHFT)을 사용한다. Low Frequency Telescope|저주파 망원경영어(LFT)은 40 GHz에서 235 GHz까지, High Frequency Telescope|고주파 망원경영어(HFT)은 280 GHz에서 400 GHz까지의 주파수 대역을 담당한다.[1] LFT는 400 mm 구경의 교차 드라곤 망원경을 사용하며, HFT는 2개의 실리콘 렌즈를 갖춘 200 mm 구경의 축상 굴절 망원경을 사용한다.[1][1][13]LFT와 MHFT는 34~448 GHz 파장 영역의 밀리미터파를 15개 밴드로 고정밀 관측하여 은하수로부터의 전경 복사를 높은 정밀도로 제거한다. 망원경은 5K(켈빈), 초점면 검출기는 100mK까지 냉각하여 열 방사로 인한 노이즈를 줄인다. LFT는 일본, MHFT는 유럽, 초점면 검출기와 저온 판독 회로는 미국, 상온 판독 회로는 캐나다가 담당한다.
기본적인 설계는 2,622개의 초전도 편광 검출기 배열을 고려하고 있다.[1][13] 전체 광학 시스템은 열 방출을 최소화하기 위해 약 5°C까지 냉각되며,[14] 초점면은 2단계 서브 켈빈 냉각기를 사용하여 100mK까지 냉각된다.[1]
4. 2. 냉각 시스템
LiteBIRD영어는 열 방출을 최소화하기 위해 전체 광학 시스템을 약 5,000까지 냉각하며,[14] 초점면은 2단계 서브 켈빈 냉각기를 사용하여 100mK까지 냉각한다.[1] 망원경을 5,000, 초점면 검출기를 100mK까지 냉각함으로써 열 방사로 인한 노이즈를 줄인다.5. 주요 연구자
- 핫토리 가오리
- 하세가와 마사야
- 에이드리언 리
참조
[1]
간행물
LiteBIRD: a small satellite for the study of B-mode polarization and inflation from cosmic background radiation detection
https://www.spiedigi[...]
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2012-09-21
[2]
논문
Mission design of LiteBIRD
https://arxiv.org/ab[...]
2013-11-12
[3]
간행물
Concept design of the LiteBIRD satellite for CMB B-mode polarization
https://www.spiedigi[...]
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2018-08-09
[4]
문서
INVESTIGATION OF THE SOLAR SYSTEM DISK STRUCTURE DURING THE CRUISING PHASE OF THE SOLAR POWER SAIL MISSION.
https://www.hou.usra[...]
Lunar and Planetary Science Conference
2018
[5]
뉴스
宇宙最古の光、捉えられるか ＪＡＸＡ、衛星打ち上げへ
https://www.asahi.co[...]
2017-05-30
[6]
웹사이트
The origin of the Universe will be unveiled by the LiteBIRD cryogenic satellite
https://www.d-sbt.fr[...]
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[7]
웹사이트
LiteBIRD Overview
https://indico.in2p3[...]
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[8]
논문
The LiteBIRD Satellite Mission – Sub-Kelvin Instrument
https://arxiv.org/ab[...]
2018-03-15
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웹사이트
LiteBird Science
http://litebird.jp/e[...]
2018-10-06
[10]
간행물
LiteBIRD: Mission Overview and Focal Plane Layout
https://link.springe[...]
2016-08
[11]
간행물
LiteBIRD: mission overview and design tradeoffs
https://www.spiedigi[...]
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2014-08-02
[12]
웹사이트
LiteBIRD - Team Members
http://litebird.jp/e[...]
2018-10-08
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웹사이트
LiteBIRD instrumentation
http://litebird.jp/e[...]
2018-10-06
[14]
간행물
Optical designing of LiteBIRD
https://www.spiedigi[...]
SPIE
2016-07-29
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