기획·칼럼

뜨겁고 활기찬 우주를 관측한다

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] ESA 코스믹 비전 프로그램 (9) Athena미션

블랙홀은 어떻게 관측 할 수 있을까?

블랙홀은 빛조차도 탈출할 수 없을 정도로 강한 중력을 지닌 천체이다. 강한 중력에 비해서 크기는 매우 작은데 이러한 이유로 인해서 블랙홀을 직접 관측하는 것은 거의 불가능에 가깝다. 그렇다면 우리는 어떻게 블랙홀의 존재를 알 수 있을까?

블랙홀 주변 강착 원반(accretion disk)의 수많은 먼지와 가스들은 소용돌이치면서 서서히 블랙홀로 빨려 들어간다. 이때 발생하는 마찰로 인해서 원반 내의 물질들은 (이온들과 전자들) 최소 절대온도 1만도 이상 올라가게 되고 원반 안쪽에서는 엑스선이 방출된다. 물론 최근 연구에 따르면 엑스선을 방출하지 않는 블랙홀도 많을 것으로 예상이 되고 있다. 하지만 에너지가 높은 엑스선 방출은 온도가 아주 높은 천체에서만 발견되는 현상이기에, 이는 블랙홀의 간접적인 증거가 될 수 있다.

블랙홀의 상상도 ⓒNASA/M. Weiss

블랙홀을 관측하기 위한 인류의 강한 열망

지구의 대기는 우주에서 오는 엑스선을 대부분 흡수시키기에 엑스선을 관측하기 위한 망원경이나 탐사선은 지구 밖으로 나가야 한다. 가장 성공적으로 평가받고 있는 엑스선 프로젝트는 ’찬드라 엑스선 망원경(Chandra X-ray Observatory – Advanced X-ray Astrophysics Facility로도 알려져 있음)’ 인데, 이는 미 항공 우주국(NASA)의 큰 규모의 과학 프로그램 (Large strategic science missions: 혹은 Flagship missions으로도 알려져 있다) 중 하나로서 거대 규모의 예산이 뒷받침된 미션이다. 이를 통해서 블랙홀을 관측하기 위한 인류의 강한 열망을 엿볼 수 있다.

Chandra 망원경의 상상도ⓒNASA/Chandra

고에너지를 내는 천체들을 관측하기 위한 정교하고 민감한 우주 망원경이 유럽 우주국(ESA)에 의해서 또 한 번 채택되었다. 2014년 유럽 우주국은 Athena (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics) 프로젝트를 두 번째의 큰 규모 코스믹 비전 미션 (L-class Cosmic Vision mission)으로 선정하였다. 위 미션을 통해서 우주의 뜨거운 가스 구조를 매핑하며 그들의 물리적인 성질에 관해서 연구하며 초대형 질량의 블랙홀(Supermassive black hole)을 관측할 예정이다. 결과적으로 뜨겁고 가장 활발한 우주를 관측하고 연구하게 된다.

Athena의 상상도 ⓒESA/Athena

Athena 미션과 미션의 과학적인 목표

Athena는 이미 2000년대 초에 XMM-Newton의 후계자로 지목받으며 유럽 우주국에 의해서 제안되었던 XEUS 프로그램과, 미항공우주국에 의해서 제안되었던 Constellation-X의 병합된 형태의 프로그램인 International X-ray Observatory (IXO) 의 다운그레이드 형태 미션이다. 비용 절감의 이유로 취소가 되었던 IXO를 대신하여 더욱 경제적인 Athena 미션이 다시 한번 제안되었고 이를  유럽 우주국의 최종 선택을 받으며 Athena미션의 시작을 알렸다. Athena 미션은 엑스선 탐사의 선배들 격인 Chandra X-ray Observatory나 XMM-Newton보다도 여러 측면에서 최소 10배 이상 민감한 망원경이다.

Athena 미션의 부제인 “뜨겁고 활기찬 우주”에서 볼 수 있듯이 미션의 과학적인 목표는 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 첫째로 일반적인 천체 물질들 (ordinary matter)는 어떻게 오늘날 우리가 볼 수 있는 우주를 구성할 수 있을까에 관한 포괄적이고 일반적인 질문에 대한 대답을 목표로 미션이 운영된다. 둘째로 블랙홀은 어떻게 성장하며 어떤 식으로 우주를 형성할 수 있었을까에 관한 질문에 대답하기 위한 미션이다. 두 질문 모두 민감한 엑스선 관측 미션이 대답해줄 수 있다. 전임 엑스선 미션들보다 집광 가능한 면적, 관측 민감도, 그리고 관측 속도 또한 상당히 뛰어난 Athena 미션은 다양한 천체들에 관해서 매우 민감한 관측과 연구를 제공해 줄 수 있다.

Athena 미션은 2030년대 초 Ariane 6.4 발사체와 함께 지구를 출발하여 L2 지점에 안착할 전망이다. L2 주위의 궤도는 안정적인 열 환경 그리고 좋은 가시성 및 가장 중요한 높은 관측 효율성을 기반으로 선택되었고, 정상적으로 안착 후 연간 최대 300개 이상의 관측을 수행할 전망이다. 임무 기간은 최소 4년이고 이후 연장 가능한 미션이다. Athena 미션에 사용될 망원경은 초점 거리가 12m인 단일 망원경으로 망원경의 유효 면적은 약 1.4 제곱미터이다. 망원경에 이용되는 거울은 유럽 우주국의 SPO (Silicon Pore Optics) 기술을 기반으로 직접 제작되는데 이는 우수한 각도 분해능을 제공함은 기본이고 수집면적 대 질량의 비율이 뛰어나다.

각각 2018년과 2019년에 유럽 우주국이 지정한 예비 요구사항을 모두 통과한 Athena 미션에 탑재될 두 가지 핵심적인 기계들은 각각 Wide Field Imager (WFI)와 X-ray Integral Field Unit (X-IFU)이다. WFI는 독일의 막스 플랑크 연구소의 반도체 실험실에서 개발한 Silicon DEPFET 기술을 기반으로 제작된 대략 7 keV에서 170 eV 정도의 우수한 에너지 분해능과 낮은 잡음 그리고 넓은 시야를 자랑하는 분광계를 탑재한 획기적인 카메라이다. 이 장비는 한 번에 40’x 40′ 정도의 넓은 시야의 하늘을 관측하기에 최적화되었으며 가장 밝은 지점을 찾을 수 있는 별도의 감지기를 포함하고 있다. WFI은 유럽 우주국의 회원국인 독일 뮌헨의 막스 플랑크 외계 천문학 연구소를 중심으로 오스트리아, 덴마크, 프랑스, 그리고 이탈리아가 참여하여 개발하고 있다. X-IFU는 Athena 미션의 극저온 엑스선 분광기이다. 위 장비는 2.5eV에서 최대 7keV의 광학 분해능을 가진 분광기로서 벨기에, 체코 공화국, 핀란드, 프랑스, ​​독일, 아일랜드, 이탈리아, 네덜란드, 폴란드, 스페인, 스위스 등으로 이루어진 X-IFU 컨소시엄과 일본 및 미국이 참여하여 개발하고 있다.

Athena의 상상도 ⓒESA/Athena

엑스선으로 포착한 우주의 모습은 경이롭다 못해 탄성이 나온다. 싱크로트론 복사, 제동복사(bremsstrahlung radiation), 그리고 흑체복사(blackbody radiation)의 형태로 방출되는 엑스선은 우주에서 가장 뜨겁고 활발한 천체들이 방출하기 때문이다. Athena 미션이 2022년 하반기에 유럽 우주국의 최종 검토를 포함한 승인을 받게 되면 고도로 민감한 관측장비들을 동원하여 태양계부터 먼 천체들까지 모든 천체의 고에너지 현상에 관해서 자세한 정보를 제공해줄 전망이다.

찬드라 엑스선 관측소팀이 공개한 엑스선으로 본 아름다운 우주의 모습 (찬드라 미션이 촬영한 이미지와 다른 관측을 병합하여 만든 이미지) ⓒNASA/Chandra

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