천문연, NASA와 세계 첫 ‘전천영상분광’ 우주망원경 제작

SPHEREx 우주망원경 개념도(출처: SPHEREx 홈페이지)

한국천문연구원이 NASA 제트추진연구소(JPL) 및 미국 캘리포니아 공과대학Caltech)과 공동 개발하는 우주망원경 스피어엑스(SPHEREx) 제작에 착수한다.

SPHEREx(Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer)는 ‘전천(全天) 적외선 영상분광 탐사를 위한 우주망원경’으로 전체 하늘에 대한 영상분광 탐사로는 세계 최초이다.

SPHEREx는 지상에서는 지구 대기에 의한 손실 때문에 관측이 어려운 적외선 천체 관측이 가능할 뿐 아니라 영상분광 기술을 적용해 전 우주를 102개의 색깔로 관측할 수 있다.

영상분광 기술이란 넓은 영역을 동시에 관측할 수 있는 ‘영상관측(Imaging)’과 개별 천체 파장에 따른 밝기의 변화를 측정하는 ‘분광관측(Spectroscopy)’이 통합된 기술이다. 

SPHEREx에서 시도하는 전천 영상분광기술(출처: SPHEREx 홈페이지)

천문연이 NASA SPHEREx 제작에 미국 외 유일한 기관으로 참여하게 된 이유는 천문연이 개발한 차세대 소형위성 1호 과학탑재체 NISS(Near-infrared Imaging Spectrometer for Star formation history)에 최초로 적용한 선형분광필터 때문이다. 

NASA 제트추진연구소 앨런 파링턴 박사는 “SPHEREx의 전천 우주 영상분광 관측은 마치 영화가 흑백 영상에서 컬러 영상으로 전환된 촬영기법처럼 천체물리 역사에 한 획을 그을 획기적인 시도다”라고 설명했다.

SPHEREx는 전 우주에 존재하는 약 20억 개에 달하는 개별 천체들의 전천 분광 목록을 작성할 계획이다. 

SPHEREx 관측영상과 각 천체 방출 스펙트럼을 재구성하면 3차원 우주 공간 정보를 얻을 수 있다. 이는 빅뱅 직후 우주 급팽창에 의한 우주생성과 은하 형성 및 진화 정보를 담은 적외선 우주배경복사 수수께끼를 푸는 실마리를 찾을 수 있을 것으로 보인다.

우리 은하와 우주에 얼음 상태로 존재하는 물과 이산화탄소 등 분포 지도를 작성해 지구와 같이 생명체가 존재할 수 있는 행성 발견도 기대된다.

SPHEREx 우주망원경 성능 테스트를 위한 천문연 극저온 진공챔버 모식도(천문연 제공)

SPHEREx는 2016년 천문연이 칼텍과 국제공동연구 기획을 NASA에 개발을 제안하면서 시작됐다. NASA는 2019년 2월 제안서를 선정하고, 2020년 10월 예비설계 결과를 평가해 2021년 1월 6일(한국 현지기준) 최종 승인을 발표, SPHEREx가 본격적인 제작에 착수하게 됐다.

제작 완료된 SPHEREx는 2024년 태양동기궤도로 발사돼 약 2년 6개월 동안 4회 이상의 전천 분광 탐사 임무를 수행할 예정이다. 태양동기궤도는 위성 궤도면의 회전 방향과 주기가 지구의 공전 방향과 주기와 같은 궤도로서 태양과 항상 일정한 각도를 유지하게 된다.

SPHEREx의 제작·운용에는 주관기관인 칼텍을 포함해 NASA JPL, Ball Aerospace 등 12개 기관이 참여하며, 천문연은 이 중 유일하게 미국 기관이 아닌 국제기관으로 참여한다. 천문연은 망원경 우주환경시험에 사용될 극저온 진공 챔버 개발을 주도하고, 관측자료 분석 소프트웨어 개발, 핵심 과학연구 등에 참여할 예정이다.

한편 주관기관인 칼텍은 적외선 관측기기 및 자료처리 파이프라인을 개발하고, NASA JPL은 미션운영과 탑재체 개발 조립, Ball Aerospace는 위성체 제작을 맡을 예정이다.

한국측 연구책임자인 천문연 정웅섭 박사는 “과거 차세대 소형위성 1호 과학탑재체인 NISS 독자 개발 경험이 밑거름이 되어 SPHEREx 공동개발에 유일한 국제 연구기관으로 참여할 수 있게 됐다”며, “이번 공동개발을 통해 연구진이 세계 최고 수준의 우주망원경 개발에 대한 자신감을 얻었다”고 말했다.

김민중 기자 science@