한미 협업으로 우주 관측의 신기원 열다 - KS News

한·미 협업으로 우주 관측의 신기원 열다

– 우주항공청(한국천문연구원), 나사와 차세대 우주망원경 스피어엑스 개발

– 세계 최초 3차원 우주지도 제작 및 우주 탄생과 생명 진화 과정 연구

우리나라가 핵심 기관으로 참여하여 개발한 차세대 우주망원경이 발사된다. 우주항공청(청장 윤영빈, 이하 ‘우주청’)은 한국천문연구원(원장 박장현, 이하 ‘천문연’)과 나사(NASA) 등이 공동 개발한 우주망원경 스피어엑스*가 2월 28일(금) 낮 12시경(현지시간 2.27.(목) 19시경)에 미국 캘리포니아주 밴덴버그 우주군 기지에서 발사될 예정이라고 밝혔다.

*SPHEREx : Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer

스피어엑스는 지상에서는 관측이 어려운 적외선을 볼 수 있는 우주망원경으로 전체 하늘을 102가지 색으로 관측해 약 10억 개의 천체들에 대한 물리적인 정보를 얻고 세계 최초로 적외선 3차원 우주지도를 제작하게 된다. 이를 통해 우리은하 내에 얼음 상태로 존재하는 물과 이산화탄소의 분포를 지도화해 생명체가 존재할 수 있는 환경을 파악할 예정이다.

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그림1. (좌측) 스피어엑스 상상도 (우측) 최종 테스트를 완료한 스피어엑스 실물

또한, 10억 개 이상의 은하 분포를 측정해 빅뱅 직후 우주 급팽창 원인과 배경의 중요한 단서를 제공한다. 더불어 그동안 볼 수 없었던 어두운 은하의 빛의 총량을 측정해 은하 형성과 진화의 비밀을 풀어간다.

그림2. 스피어엑스 우주망원경 관측을 통해 얻어질 적외선 3차원 우주지도 및 관측 천체들에 대한 가상도

스피어엑스는 2019년부터 시작된 2,800억 원 규모의 나사의 중형 탐사 미션으로, 캘리포니아 공과대학(Caltech) 주관하에 우주청 산하 천문연과 나사 제트추진연구소(NASA JPL) 등 12개 기관이 참여하는 프로젝트다. 천문연은 스피어엑스 공동개발에 참여하는 유일한 국제 협력기관이다.

천문연은 독자적으로 개발한 근적외선 우주망원경(NISS, Near-infrared Imaging Spectrometer for Star formation history)의 기술력을 인정받아 2016년 스피어엑스 기획 단계부터 참여했으며, 2019년 선정부터 국제 공동개발을 진행해 왔다. 천문연은 영하 220도의 우주환경을 구현하는 극저온 진공챔버를 개발해 우주망원경의 광학 및 분광 성능 테스트를 주도했으며, 관측 자료를 처리할 소프트웨어 개발에도 협력했다. 천문연 개발팀은 스피어엑스가 포착할 자료를 분석하는 과학연구에도 적극 참여할 예정이다.

스피어엑스의 핵심 기술은 영상분광 탐사 기술이다. 이는 넓은 영역을 촬영하는 ‘영상관측’과 빛의 밝기를 파장별로 측정하는 ‘분광관측’이 결합된 기술이다. 나사 과학임무국 국장 니키 폭스 박사(Nicky Fox)는 우주를 영상분광으로 관측하는 것에 대해 “전 우주에 대해 102개에 달하는 색깔로 관측하는 것은 세계 처음으로 이루어지는 획기적인 시도”라고 표현했다.

윤영빈 우주항공청장은 “스피어엑스 우주망원경 개발에 있어 우주망원경에 최초로 적용하는 영상분광 관측 기술을 우리 연구진이 NASA와의 협력 속에서 개발하여 활용한다는 점에서 큰 의미가 있다”며, “우주청은 한국의 우주 연구 역량을 강화하고, 우주 산업 발전을 위한 기반을 마련하기 위해 지속적으로 천문학 분야의 국제 협력 연구를 확대할 것”이라고 밝혔다.

붙임 1. 스피어엑스 상세 소개 1부.

2. 스피어엑스 발사 개요 1부.

3. 주요 용어 설명 1부. 끝.

[참고 1] 스피어엑스 상세 소개

□ 스피어엑스 소개와 의의

스피어엑스는 전천(全天) 적외선 영상분광 탐사를 위한 우주망원경’으로, 대기에 흡수되기 때문에 지상에서는 관측이 어려운 적외선을 볼 수 있는 우주망원경이다. 스피어엑스의 영상분광 기술을 이용해 온 하늘(전천, 全天)을 총 102개의 적외선 파장으로 촬영할 수 있다. 전체 하늘에 대한 적외선 분광 탐사는 전 세계적으로 처음 이루어지는 대규모 우주탐사 관측이다. 2025년 2월에 발사되어 약 2년 6개월 동안 0.75 ~ 5.0μm 파장 범위에서 낮은 분광 분해능(λ/Δλ = 40 – 150)으로 전천 탐사를 수행할 계획이다.

스피어엑스가 임무를 수행할 경우, 약 10억 개의 천체들에 대한 개별적인 분광 자료를 획득할 수 있을 것으로 기대한다. 스피어엑스는 이러한 방대한 관측자료를 통해 우주의 3차원 공간 정보를 획득함으로써 적외선 우주배경복사의 수수께끼를 푸는 실마리를 찾고, 생명체가 존재할 수 있는 행성계 탐사 연구에 기여할 것으로 기대된다. 또한 스피어엑스로 확인된 특이 천체를 중심으로 제임스웹 우주망원경을 활용하여 후속 관측을 수행하고 연구할 예정이다.

□ 제원 및 관측위치

□ 스피어엑스 망원경 구성

□ 스피어엑스 참여기관 명단 및 주요 역할

스피어엑스 컨소시엄은 총 12개 기관이 참여하고 있다. 주관기관은 캘리포니아 공과대학(과제 책임자 Jamie Bock 교수)이고, 적외선 관측기기 및 자료처리 시스템 개발을 주도하고 있다. NASA JPL(프로젝트 매니저 Allen Farrington 박사)은 탑재체 개발 및 전체적인 개발 프로젝트 관리를 BAE 시스템즈는 위성체 제작을 담당하였다. 천문연 정웅섭 책임연구원이 이끄는 한국 개발팀은 기기개발, 자료처리 소프트웨어, 과학연구 등 전반에 걸쳐 30명의 연구원이 참여하고 있다.

[참고 2] 스피어엑스 발사 개요

□ 발사 개요

ㅇ (일시) 2025년 2월 28일(금) 낮 12시

(미국 현지시간 2025년 2월 27일(목) 밤 7시경)

ㅇ (장소) 미국 캘리포니아주 밴덴버그 우주군기지 4E 구역

ㅇ (발사체) 팰컨9 v1.2 블록5(Falcon9 v1.2 block5)

[참고 3] 주요 용어 설명

□ 분광관측(Spectroscopy)

파장에 따른 빛의 밝기를 측정하는 것으로, 천체들에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있다.

특히, 우주 거대 구조를 측정하기 위해서는 개별 천체들이 얼마나 우리로부터 빨리 멀어져 가고 있는지(Redshift, 적색이동) 측정해야 하는데, 이를 정확히 측정하기 위해서는 개별 천체들의 분광 정보가 필수적이다.

□ 영상분광기술(Spectro-photometry)

넓은 영역을 관측할 수 있는 영상관측(Imaging)과 개별 천체의 파장에 따른 밝기 변화를 측정하는 분광관측(Spectroscopy)을 동시에 수행하는 기술이다.

예를 들어, 특정 천체에 대해 100개로 나눠진 좁은 파장대의 분광 정보를 얻고자 할 때 가장 쉽게 떠올릴 수 있는 방법은 특정 파장대만 투과시키는 100장의 필터(filter)를 사용하여 100번의 사진을 찍는 것이다. 하지만 이렇게 많은 수의 필터들을 제작하여 우주망원경에 올려 관측하는 것은 기술적으로 불가능하다. 스피어엑스의 경우 필터의 위치에 따라 투과하는 빛의 파장이 달라지는 특수 선형 분광 필터(Linear Variable Filter)를 사용하여 천체의 영상과 분광 정보를 동시에 얻는다. 이 선형 분광 필터를 사용하여 필터를 교체하는 방법이 아니라 망원경의 지향방향을 조금씩 바꿔가며 사진을 찍은 뒤 합성하는 방법으로 천체의 분광 정보를 얻을 수 있다.

그림 4. 스피어엑스에서 사용하고 있는 분광 필터와 이미지 예시

이러한 영상분광 기술을 사용하면 어떤 특정 천체뿐만 아니라, 전체 하늘을 100개의 파장에서 사진 찍는 것이 가능해진다. 스피어엑스는 적외선을 투과하는 선형 분광 필터를 사용하는 영상분광 기술을 이용해 세계 최초로 ‘전천 영상분광 탐사(All-Sky Spectral Survey)’를 시도하는 임무를 수행한다.