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제23호 과학위성 스자쿠

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목차

1. 개요

제23호 과학위성 스자쿠는 2005년 7월 10일 발사된 일본의 X선 천문 위성으로, 2000년 발사에 실패한 ASTRO-E 위성을 대체하기 위해 개발되었다. 스자쿠는 X선 망원경, X선 분광기, X선 영상 분광기, 경 X선 검출기 등 다양한 관측 장비를 탑재하여 연 X선부터 감마선까지 넓은 에너지 대역을 관측할 수 있었다. 주요 관측 목적은 고온 플라스마, 우주의 구조와 진화, 블랙홀 및 활동 은하핵 연구 등이었다. 2015년 8월, 전력 부족으로 운용이 종료되었다.

2. 개발 배경 및 발사

아스카(ASTRO-D)에 이은 일본의 5번째 X선 천문 위성으로, 궤도에 진입하지 못하고 실패한 ASTRO-E를 대체하기 위해 개발되었다. 스자쿠는 ASTRO-E의 설계를 기본으로 하되, 구할 수 없는 부품을 변경하고, 위험이 없는 범위 내에서 관측 장비의 성능을 개선하였다.

X선원인 고온의 플라스마 관측, 원방의 은하단을 관측하여 우주의 진화에 대한 데이터 제공, 블랙홀 후보 천체와 활동 은하핵의 관측을 목적으로 한다.

원통형 본체의 직경은 2.1m이며 태양 전지 패널을 펼치면 폭은 5.4m이다. 경통을 늘리면 전체 길이는 6.5m가 된다. 총 중량은 1680kg이다.

2. 1. ASTRO-E 실패

''스자쿠''는 발사 실패로 손실된 '''ASTRO-E'''의 대체 위성이었다. 2000년 2월 10일 01시 30분 00초(협정 세계시, UTC)에 M-V 로켓 4호기가 발사되었다. 발사 42초 만에 1단 엔진 노즐에서 고장이 발생하여 제어 시스템이 고장나고 성능이 저하되었다.[9][10] 이후 단계에서는 성능 저하를 보상할 수 없어 탑재체는 약 402.33km x 약 80.47km 궤도에 남겨둔 채 재진입하여 인도양에 추락했다.[11][12]

2. 2. ASTRO-EII (스자쿠) 개발

아스카(ASTRO-D)에 이은 일본의 5번째 X선 천문 위성으로 계획되었으며, 궤도 진입에 실패한 ASTRO-E의 대체기이다. ASTRO-E는 2000년 2월 10일 M-V 로켓 4호기로 발사되었으나, 1단 로켓 연소 이상으로 궤도 진입에 실패했다. 이후 2005년 재시도하여 ASTRO-EII를 발사, "스자쿠"로 명명되었다.

ASTRO-EII는 기본적으로 ASTRO-E와 동일하지만, 구할 수 없는 부품을 변경하고 위험 없는 범위 내에서 관측 장치를 개선했다. ASTRO-E에 비해 X선 분광 검출기(XRS)의 에너지 분해능은 2배, 냉각재(액체 헬륨과 고체 네온) 수명은 1.5배 정도 늘어났다. X선 반사경 미광 제거, X선 CCD 방사선 열화 대책 전극 추가 등도 이루어졌다.[13]

3. 관측 장비

스자쿠는 연 X선부터 감마선(0.3–600 keV)까지 넓은 에너지 대역을 관측할 수 있는 장비를 탑재했다. 주요 관측 장비는 X선 망원경(XRT), X선 분광기(XRS), X선 영상 분광기(XIS), 경 X선 검출기(HXD)이다.[15]

관측 기기는 5개의 연 X선 망원경과 1개의 경 X선 망원경을 탑재하고 있으며, 미국과의 공동 개발로 만들어졌다.

3. 1. X선 망원경 (XRT)

''스자쿠''는 연 X선 관측을 위한 망원경을 탑재하고 있다. 5개의 연 X선 망원경 중 4개는 구경 4040cm, 초점 거리 4.754.75m이며, X선 CCD 카메라를 검출기로 사용하여 넓은 시야를 관측한다.[7] 이 망원경들은 아스카에 탑재되었던 X선 CCD 카메라보다 분해능이 약 1분가량 향상되었으며, 유효 면적 또한 개선되었다.[7]

나머지 1개의 연 X선 망원경은 구경 4040cm, 초점 거리 4.54.5m이며, X선 마이크로칼로리미터를 검출기로 탑재하여 에너지 분해능 12eV의 고분해능 관측을 수행할 예정이었다.[7] 그러나 이 장치는 2005년 8월 8일 냉각에 사용되는 액체 헬륨이 모두 기화되어 손실되는 문제로 인해 사용할 수 없게 되었다.[7]

3. 2. X선 분광기 (XRS)

''스자쿠''는 연 X선부터 감마선 (0.3–600 keV)까지의 신호를 감지하기 위한 높은 분광 해상도와 매우 넓은 에너지 대역의 장비를 탑재했다. 고해상도 분광법과 광대역은 블랙홀과 초신성과 같은 고에너지 천문 현상을 물리적으로 조사하는 데 필수적인 요소이다. 이러한 특징 중 하나인 K선 (X선)은 블랙홀의 보다 직접적인 이미징에 핵심이 될 수 있다.[15]

X선 분광기(XRS)는 구경 40cm, 초점 거리 4.5m의 연 X선 망원경 중 하나로, 검출기로 X선 마이크로칼로리미터를 탑재하여 에너지 분해능 12eV의 고분해능 관측을 수행할 예정이었다. 그러나 2005년 8월 8일, XRS를 냉각하는 액체 헬륨이 모두 기화되어 손실되는 불량이 발생하여 작동 불능 상태가 되었다.

XRS의 냉각재 증발 원인은 진공 단열 용기 헬륨 배기 밸브의 부적절한 배치였다. 배기 밸브가 위성 내부에 배치된 탓에 배기된 헬륨이 진공 단열 용기 내부로 환류하여 진공 단열이 열화되었다. 이로 인해 헬륨 온도가 상승하여 증발이 가속화되었고, 증발된 헬륨이 다시 배기 밸브를 통해 진공 단열 용기 내부로 흘러 들어가 진공 단열 열화와 헬륨 증발이 연쇄적으로 일어난 것으로 추정된다。

우주 환경은 태양광이 닿는 면과 닿지 않는 면의 온도 차가 매우 크기 때문에, 위성의 상황에 따라 액체 헬륨은 기화될 가능성이 있다.

3. 3. X선 영상 분광기 (XIS)

4개의 연 X선 망원경은 구경 40cm, 초점 거리 4.75m, X선 CCD 카메라를 검출기로 사용하며, 광시야 관측에 사용된다.[7] 아스카에 탑재되었던 X선 CCD 카메라보다 분해능이 약 1분으로 향상되었으며, 유효 면적의 향상도 이루어졌다.[7]

3. 4. 경 X선 검출기 (HXD)

''스자쿠''는 아스카 위성에서 관측할 수 없었던 10 - 700 keV의 고에너지 X선을 검출하기 위해 경 X선 검출기(HXD)를 탑재했다.[7] 이 검출기는 가돌리늄 규산염 결정(GSO), Gd2SiO5(Ce)과[7] 비스무트 저마늄 결정(BGO), Bi4Ge3O12를 사용한다.[7]

4. 관측 목적

스자쿠의 주요 관측 목적은 다음과 같다.


  • X선 및 감마선을 이용한 고온 플라스마 연구: 우리 은하 내의 초신성 잔해에서 핵 감마선 등을 조사한다.
  • 우주의 구조와 진화 연구: 은하단의 진화, 매우 멀리 떨어진 어두운 원시 천체 탐사 등을 연구한다.
  • 블랙홀 후보 천체와 활동 은하핵의 광대역 스펙트럼 연구

4. 1. 고온 플라스마 연구

스자쿠의 관측 목적 중 하나는 X선 및 감마선을 이용하여 고온 플라스마를 연구하는 것이다.

구체적인 연구 내용은 다음과 같다.

  • 넓은 온도 범위에 걸쳐 다양한 X선원을 플라스마 상태로 조사한다.
  • 다양한 X선원의 플라스마의 역학적 운동을 연구한다.
  • 우리 은하 내의 초신성 잔해에서 핵 감마선을 조사한다.

4. 2. 우주의 구조와 진화 연구

스자쿠는 은하단의 진화 연구, 매우 멀리 떨어진 어두운 원시 천체 탐사, 우리 은하 내의 초신성 잔해에서 핵 감마선 조사 등을 통해 우주의 구조와 진화를 연구했다.

4. 3. 블랙홀 및 활동 은하핵 연구


  • 블랙홀로의 강착류 연구
  • 활동 은하핵이 1킬로전자볼트(keV)에서 1000 keV 영역에서 우주 X선 배경 복사에 대해 어떤 기여를 하는지에 대한 연구

5. 운용 및 성과

2005년 7월 10일 발사 후, 9월 10일부터 시험 관측을 시작하여 2006년 4월 1일부터 본 관측으로 이행했다. 설계 수명인 2년을 넘어 2년 2개월 동안 실 운용을 실시했으며, 2008년 6월부터 후기 운용으로 이행했다.

스자쿠는 2005년 8월 13일 X선 망원경(XRT)/X선 CCD 카메라(XIS)와 8월 20일 경 X선 검출기(HXD)의 첫 관측 이후, 기존 위성에 비해 넓은 에너지 대역(기존 10 keV에서 700 keV까지)에서 관측이 가능하고 세계 최고 수준의 감도를 달성하는 등 뛰어난 관측 능력을 바탕으로 우주의 구조 형성 및 블랙홀 근처 영역 탐사 등에서 여러 성과를 거두었다.[8] 2006년 12월에는 일본천문학회 영문 보고서 '스자쿠 특집호'가 발행되어 과학 논문 25편과 하드웨어/소프트웨어 관련 논문 5편이 게재되었다.

5. 1. 운용 종료

2015년 6월 1일 운용 이후, 전력 부족으로 위성과의 통신이 간헐적으로만 가능하게 되었다. 위성은 배터리가 기능하지 않아 태양 전지 패널에 햇빛이 비치는 시간대에만 전원이 켜지는 상태였으며, 자세 제어는 상실되어 약 0.33rpm 정도로 회전하고 있다고 추정되었다. 그 후, 2개월 정도의 기간 동안 정상 운용으로의 복귀를 위해 자세 안정, 전력 확보가 시도되었으나, 복구되지 못했다.

2015년 8월 26일, 발사된 지 10년 이상이 지나 배터리 고갈 등으로 운용 지속이 불가능하다고 판단하여, 우주항공연구개발기구(JAXA)가 관측을 종료하고 위성 운용을 종료할 것을 발표했다。 같은 해 9월 3일에 개최된 우주 개발 이용 부회에서, 9월 2일 이후 운용 종료를 위해 다음 작업을 진행할 것이 보고되었다。

  • JAXA의 우주 파편 발생 방지 표준에 따라 배터리 분리를 수행한다.
  • 전파 사용 중지의 관점에서 송신 전파를 정파한다.
  • 궤도 강하 운용은 실시하지 않는다[14]。

6. 한국과의 협력

ASTRO-F 위성 운용에는 서울대학교가 일본, 유럽 대학 컨소시엄 등과 함께 참여했다.

7. 참고 이미지

참조

[1] 웹사이트 Encyclopedia Astronautica – Toshiba https://web.archive.[...] 2015-09-09
[2] 논문 The X-Ray Observatory Suzaku http://pasj.asj.or.j[...] 2010-10-04
[3] 웹사이트 Japanese X-ray observatory completes decade-long mission http://spaceflightno[...] 2015-09-09
[4] 웹사이트 すざく（朱雀、Suzaku）命名の理由 http://www.isas.jaxa[...] 2005 JAXA
[5] 웹사이트 X-ray Astronomy Satellite "Suzaku" Completes Scientific Mission http://global.jaxa.j[...] National Research and Development Agency (JAXA) 2015-09-09
[6] 웹사이트 Suzaku Mission Declared Complete http://heasarc.gsfc.[...] NASA 2015-09-04
[7] 논문 Hard X-ray Detector (HXD) on Board Suzaku http://pasj.asj.or.j[...] 2010-10-04
[8] 웹사이트 Suzaku Finds "Fossil" Fireballs from Supernovae 12.30.09 http://www.nasa.gov/[...]
[9] 웹사이트 History https://www.isas.jax[...] 2024-01-02
[10] 웹사이트 1 How did M-V-4 fly? https://www.isas.jax[...] 2024-01-02
[11] 웹사이트 Spaceflight Now ! Breaking News ! Astro-E believed lost following botched launch https://spaceflightn[...] 2024-01-02
[12] 웹사이트 ASTRO-E Launch http://astrophysics.[...] NASA Goddard Space Flight Center 2010-03-02
[13] 웹사이트 ASTRO-EII衛星の現状 https://www.isas.jax[...] ISAS 2016-12-13
[14] 문서
[15] 웹사이트 Hard X-ray Detector (HXD) on Board Suzaku http://xxx.lanl.gov/[...] 2006-01-01


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