기획·칼럼

유럽과 중국의 재합작품인 ‘SMILE 미션’

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] ESA 코스믹 비전 프로그램 (2) SMILE 미션

클러스터 II 미션과 더블스타 미션의 성공

클러스터 II 미션은 태양풍과 지구 자기 환경의 상호작용 및 영향에 관해서 조사하고 있는 유럽 우주국 Horizon 2000 미션 중 하나로 한 번의 실패 끝에 재도전에 성공한 미션으로 유명하다.

클러스터 II 미션의 후속으로 더블스타 미션 (Double Star mission)이 준비되고 있었는데 이는 중국국가항천국(CNSA, China National Space Administration)이 준비한 최초의 지구 자기장 관측 위성이다. 미션의 준비는 유럽 우주국과의 낮은 단계의 협력으로 진행되었고, 계획에 맞춰서 2003년 발사 준비를 하고 있었다.

하지만 클러스터 II 미션이 생각보다 건재하게 운영되고 있었기에, 더블스타 미션은 오히려 클러스터 II 미션과 함께 진행되었다. 지구 적도 부근 궤도와 극 부근 궤도에 2개의 위성을 위치시킨 후 태양풍과 지구 자기장을 관측하고 연구하기 시작했다. 이 미션은 중국국가항천국이 홀로 설계, 개발, 발사, 그리고 운용을 했고 유럽 우주국은 자본 기부의 형태로만 참여하였기에 미션의 성공은 중국국가항천국에 큰 자신감을 가져다주었다.

유럽과 중국의 재합작품

더블스타 임무의 성공에 따라서 유럽 우주국과 중국국가항천국은 낮은 단계의 협력을 넘어서서 이제는 우주 임무를 함께 선정하고 설계하며 협력하기로 했다.

유니버시티 칼리지 런던(University College London)과 중국국가항천국은 2015년 1월에 처음으로 더욱 진보된 형태의 새로운 프로젝트를 제안했으며 이는 미래를 위한 유럽 과학기술의 집약체인 코스믹 비전 두 번째 미션의 13개 후보 중 한 개로 선정되었다.

같은 해 11월 유럽 우주국은 코스믹 비전의 두 번째 미션 임무 중 최종 후보로 해당 프로젝트를 선정했으며 이름은 ‘SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer)’ 미션으로 명명되었다. 2019년 3월 미션의 최종 승인 전까지 유럽 우주국의 요구 사항들을 모두 충족시킨 SMILE팀은 미션의 기본적인 준비가 완료되었음을 알렸다.

유럽과 중국의 재합작품으로 태양의 자기권을 저에너지 엑스선과 자외선으로 관측할 미션인 SMILE 미션 @ESA/CNSA

SMILE 미션의 과학적인 목표

SMILE 미션은 인류 우주 미션 중 최초로 태양의 자기권을 저에너지 엑스선(긴 파장의 엑스선)과 자외선으로 궤도당 최대 40시간 동안 촬영을 할 예정으로 이를 통해서 태양풍과 지구 자기권 간의 동적 상호 작용에 대한 이해가 크게 향상될 것으로 기대하고 있다.

SMILE 미션은 대표적으로 태양빛이 닿는 지구의 부분(dayside)과 태양의 자기권과의 상호작용에 관한 기본적인 이해도를 높이려는 임무다. 또한 자기장의 꼬리(Magnetotail) 부분으로부터 방출되어 지구 고위도의 전리층으로 주입되는 에너지의 작은 교란을 뜻하는 서브스톰(substorm 혹은 magnetospheric substorm)의 주기가 무엇에 의해서 결정되는지를 집중적으로 탐구할 예정이다.

서브스톰은 오로라 부분이 갑자기 밝아지며 움직임이 빠르게 증가하면서 우리 눈으로도 직접 관측할 수 있다. 오로라를 볼 수 있는 일부 극지방에서만 관측할 수 있는 서브스톰은 지구 어느 곳에서도 관측이 가능한  자자기 폭풍과는 확연히 구별된다.

또한 SMILE 미션은 코로나 질량 방출에 의한 폭풍이 야기하는 폭풍 등은 어떻게 발생하며 이들과 서브스톰과의 관계에 관해서 파악하고 탐구할 전망이다.

SMILE 미션 탐사선의 예상 이미지 @ESA/CNSA

SMILE 미션을 성공시키기 위한 장비들

SMILE 미션은 자체 개발한 4가지 최첨단 장비들을 지니고 지구를 출발할 예정이다. 첫째, 영국 레스터 대학교와 오스트리아 과학 연구소 등 유럽 우주국의 주요 연구기관이 개발 및 제작하는 저 엑스선 촬영 장비(Soft X-ray Imager)는 0.2 – 2.5 keV 에너지 대역을 포괄하는 두 개의 대형 X선 감지 CCD 감지기를 포함하며 15.5° × 26.5°에 걸친 넓은 광학 시야를 가지고 있다. 이 장비를 운용하게 될 소프트웨어는 중국국가항천국에서 개발했다.

태양빛이 닿는 지구의 부분을 자기유체역학 (magnetohydrodynamic) 수치 해석 모델을 바탕으로 저 엑스선 촬영 장비를 이용한 촬영 예상 이미지 (왼쪽)와 SMILE 미션의 심볼 (오른쪽) @ESA/CNSA

두 번째 중요한 장비인 자외선 촬영 장비(UV Imager)는 지구 북부의 오로라 지역을 촬영할 예정이며 주로 자기권 경계에서 발생하는 현상들과 전리층으로 주입되는 하전 입자에 작용하는 현상들을 탐구할 예정이다.  촬영 장비는 캐나다, 유럽 그리고 중국의 협력하에 제작되며 160~180nm 파장대를 중심으로 CMOS 기반 카메라와 함께 10° × 10°의 시야를 제공한다.

SMILE 미션은 두 가지 장비들을 더 운용하고 있는데 대표적으로 양성자와 알파 입자의 3차원 속도 분포를 측정하여 여러 조건에서의 태양풍 및 자기 초 이온의 특성을 연구하는 광이온 분석기(Light Ion Analyser)와, 태양풍과 자기권덮개(혹은 자기권외피층, magnetosheath)의 자기장 방향/크기를 연구하고 우주선을 통과하는 태양풍의 충격파(solar wind shock) 또는 불연속성을 감지하는 데에 이용될 자기장 측정기(Magnetometer)들이 그것이다.

SMILE 미션은 지구 자기권계면(magnetopause)의 바깥 가장자리를 볼 수 있어야 하기에 매우 높은 고도에 도달해야 한다. 또한 이와 동시에 오로라 오벌( auroral oval, 지구를 극지의 상공에서 내려다보았을 때 오로라가 보이는 영역)을 관측하기 위해서 충분히 좋은 공간 해상도가 필요하다. 이에 따라서 미션의 궤도는 매우 타원형이고 경사각이 매우 기울어져 (70~98도) 있다. 미션은 궤도를 돌면서 높은 고도에서 많은 시간(미션 전체 시간의 약 80% 즉 1년 중 9개월 이상)을 보낼 수 있게 계획되었다.

오로라 오벌의 수치해석 모델 이미지@NASA

SMILE 미션은 대형 프로젝트의 시작일 뿐이다

SMILE 미션의 시작은 대략 2023년 11월경으로 예측되고 있다. 전 세계의 천문학은 때아닌 자본 경쟁으로 인해서 치열해짐과 동시에 여러 국가 차원에서의 협력이 증대되고 있다.

이처럼 규모가 큰 협력 프로젝트들은 자본적으로 해결될 뿐 아니라, 여러 가지 검정들을 통해서 실수들이 미연에 방지됨에 따라서 프로젝트의 실패할 확률이 크게 낮아진다는 장점이 있다. 대표적으로 유럽 우주국은 미항공우주국(NASA)과 일본 우주국(JAXA)과의 협력을 확대하고 있고 중국국가항천국과의 협력도 확대해 나갈 방침이다.

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