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탐사선 데스티니+의 표적, 소행성 파에톤의 민낯을 밝히다 - 3D 형상모형 공개…3.6시간 주기로 자전하며 표면 균질 2019-03-18

■ 소행성 탐사는 태양계의 기원을 밝히고, 지구 충돌 위협과 자원 활용 가능성 측면에서 중요한 우주과제로 꼽힌다. 지난달에는 일본의 소행성 탐사선 하야부사2호가 소행성 ‘류구(Ryugu)'에 착륙 성공했다. 일본이 이어 계획 중인 탐사선은 데스티니 플러스(DESTINY+)로, 해당 탐사선의 표적이 될 소행성인 파에톤(Phaethon)에 대한 비밀을 한국천문연구원이 풀었다. 


■ 한국천문연구원은 파에톤이 40년 만에 지구에 가장 근접한 지난 2017년 12월 중순경, 산하 관측시설을 동원해 파에톤을 관측했다. 이를 분석해 파에톤의 표면이 화학적으로 균질하며 3.604시간에 한 번 시계 방향으로 자전한다는 것을 밝혀내고, 재구성한 3D 형상모형을 공개했다.


□ 해당 모형에 따르면 파에톤은 적도 지역이 융기된 다이아몬드에 가까운 모양(top-shape)을 띤다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)의 하야부사2호가 탐사 중인 소행성 류구와 미국항공우주국(NASA)의 오시리스렉스(OSIRIS-REx)호가 탐사 중인 소행성 베누(Bennu)도 이와 비슷한 모양을 띠고 있다. 


□ 소행성은 스스로 빛을 내지 않고 햇빛을 반사한다. 따라서 소행성이 공전하고 자전하면서 여러 면에서 반사된 광량을 기록한 자료가 있다면 소행성의 자전주기뿐 아니라 자전축 방향, 3차원 형상까지 재구성할 수 있다. 이것을 광도곡선 역산법(lightcurve inversion method)이라고 한다. 연구팀은 이 원리를 바탕으로 파에톤 밝기 변화의 주기를 분석해 3.604시간이라는 자전주기를 밝혀냈다. 


□ 연계한 또 다른 연구에서는 파에톤이 자전하는 동안 스펙트럼의 변화를 확인했으며, 그 결과 아무런 변화가 나타나지 않아 표면이 화학적으로 균질하다는 점을 확인했다. 태양열에 의한 열변성이 표면 전체에 고르게 일어난다는 계산 결과로 표면의 균질성을 재증명했다. 


□ 연구팀은 파에톤이 지구-달거리의 27배 이내로 지구에 접근했던 2017년 11월 11일부터 12월 17일까지 약 1개월간 천문연 산하 보현산천문대 1.8m, 소백산천문대 0.6m, 레몬산천문대 1m, 우주물체 전자광학 감시네트워크(OWL-Net, Optical Wide-field patroL Network) 0.5m 그리고 충북대학교천문대의 0.6m 망원경 외에 대만, 우즈베키스탄, 카자흐스탄 등 국내외 다양한 총 8개 연구시설을 동원해 해외 연구자들보다 시간적으로 더 조밀하게 관측한 자료를 얻었다. 이번 성과는 해당 관측 자료를 기초로 분석한 유일한 연구결과다. 


□ 2022년 발사 예정인 데스티니 플러스 탐사선의 과학연구를 맡은 일본 치바공대(Chiba Institute of Technology) 행성탐사연구소(PERC, Planetary Exploration and Research Center)와의 협력연구 일환으로 한국천문연구원이 지상관측 연구를 주도했다.


□ 소행성 연구를 이끌고 있는 문홍규 박사는 “태양계 천체 탐사 기획에는 지상 관측시설을 기반으로 얻은 목적 천체의 정밀궤도, 형상, 자전 특성, 표면물질 분포와 같은 연구결과가 뒷받침돼야 한다”며 “이번 연구를 통해 밝혀진 파에톤의 특성은 향후 데스티니 플러스 근접탐사의 핵심자료로 활용될 것으로 예상한다”고 말했다. 


□ 한국천문연구원은 과학기술정보통신부의 ‘제3차 우주개발진흥 기본계획’에 제시된 한국의 미래 소행성 탐사임무를 기획, 설계하는 데 이러한 연구 경험과 협력 네트워크를 적극 활용해나갈 예정이다. 


 □ 한편, 파에톤의 자전주기와 자전축 방향, 3D 형상에 관한 연구결과는 천문학 및 천체물리학 저널(Astronomy and Astrophysics) 2018년 11월 14일자, 파에톤 표면 물질의 균질성에 관한 최근 연구결과는 행성 및 우주과학 저널(Planetary and Space Science) 2019년 1월 22일자에 각각 게재됐다. 


[참고 1] 그림 및 영상 

1. 소행성 파에톤의 3D 형상 모형

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그림 1. 소행성 파에톤의 볼록모형(위)와 오목모형(아래). 좌측부터 자전축을 z라고 했을 때 측면에서 본 형상과 시계 방향으로 90도 회전된 모습, 자전축의 위에서 본 모습. 소행성은 스스로 빛을 내지 않고 햇빛을 반사한다. 게다가 자전하기 때문에 반사 단면적이 달라지며 반사광 밝기가 시간에 따라 변한다. 이처럼 시간에 따라 밝기가 변하는 것을 기록한 그림을 광도곡선이라고 한다. 소행성과 지구는 몇 년에 한 번 가까워지며 소행성이 다가왔다가 멀어지면서 우리는 보는 시점에 따라 소행성의 다른 면을 보게 된다. 따라서 소행성의 다른 면에서 반사된 광량을 기록한, 시간적으로 촘촘한 관측 자료가 있다면 소행성의 자전주기뿐 아니라 자전축 방향, 3차원 형상까지 재구성할 수 있다. 이것을 광도곡선 역산법(lightcurve inversion method)이라고 한다. 연구팀은 이 방법을 이용해 재구성한 파에톤의 볼록모형과 세이지(SAGE, Shaping Asteroids with Genetic Evolution) 방법을 통해 구현한 파에톤의 오목모형을 공개했다. 


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그림 2. 보현산천문대, 소백산천문대, 레몬산천문대 망원경으로 얻은 파에톤의 광도곡선. 가로축은 자전주기, 세로축은 밝기의 변화로 파에톤이 자전하면서 표면에서 반사된 빛의 밝기가 시간에 따라 변화하는 것을 나타낸 자료이다. 이를 분석한 광도곡선 역산법으로 파에톤의 자전주기뿐 아니라, 자전축 방향, 3차원 형상까지 재구성할 수 있다.


2. 소행성 파에톤의 궤도 및 형상 영상 링크

- http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baL0KHr7eRuUL_w~~.mp4

소행성 파에톤(3200 Phaethon)의 궤도 영상. 파에톤이 40년 만에 지구에 가장 근접해온 지난 2017년 12월 전후의 궤도를 확인할 수 있다. 출처: NASA/JPL

- http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baL0KHrHeROcM_w~~.mp4

파에톤의 3D 형상과 자전 모습. 피에톤은 적도 지역이 융기된 다이아몬드에 가까운 모양(top-shape)을 띠며, 3.604시간에 한 번 시계 방향으로 자전한다.



[참고 2] 용어 설명

1. 소행성 파에톤((3200) Phaethon)

소행성(Asteroid)은 행성보다 작은, 태양 주위를 공전하는 천체로, 대부분 화성궤도와 목성궤도 사이에 있는 소행성대(Asteroid belt)에 있다. 

소행성 파에톤은 2022년 발사 예정인 JAXA의 데스티니 플러스 탐사선이 근접탐사 임무를 수행하게 될 대상 천체다. 또한 파에톤은 매년 12월 중순경 쌍둥이자리 유성우를 일으키는 모체로 널리 알려졌다. 즉 파에톤에서 떨어져나간 먼지와 돌조각이 유성우가 되어 떨어진다.

파에톤은 1983년 10월 영국 천문학자인 사이먼 그린(Simon F. Green)과 존 데이비스(John K. Davies)가 적외선천문위성 아이라스*의 관측 영상을 보다가 우연히 발견했으며 인공위성으로 찾은 첫 소행성으로 기록된다.

 ※ 아이라스(IRAS, Infrared Astronomical Satellite) : 1983년에 적외선 영역에서 별, 은하, 태양계 천체들을 연구하기 위해 발사된 NASA의 적외선우주망원경 

3200번째로 고유번호가 붙어 ‘(3200) Phaethon’이라고 불리며, 임시번호는 ‘1983TB’, 1983년 10월 상순 두 번째 발견된 소행성을 뜻한다. 파에톤의 지름은 약 5.8km, 자전주기는 3.6시간으로 알려져 있다. 태양계 형성 초기에 만들어져 당시에는 물과 같은 휘발성 물질이 다량 포함됐다가 그 이후 증발했을 것으로 보인다. 이 때문에 천문학자들은 파에톤을 혜성에 기원을 둔, B형(B-type) 소행성으로 분류한다.

NASA의 스테레오* 위성은 지난 2009년과 2012년, 파에톤으로부터 방출된 먼지꼬리를 검출했다. 파에톤이 태양에 접근해 뜨거워지면 표면온도가 섭씨 750도까지 올라가는 것으로 예측된다.

 ※ 스테레오(STEREO, Solar Terrestrial Relations Observatory) : 2006년에 태양관측 임무를 위해 발사된 NASA의 태양우주망원경

파에톤의 궤도장반경(공전궤도의 긴지름)은 1.27AU(천문단위)* 공전주기는 523.4일, 즉 1년 158일에 해당한다. 파에톤은 이심률이 큰 길쭉한 타원궤도를 공전해 수성, 금성, 지구, 화성 궤도와 차례로 만난다. 

 ※ 천문단위 1AU : 지구-태양 평균거리=1억 4천8백만km

파에톤은 지구와 가까운 거리(약 291만km)를 두고 지나가 지구위협소행성으로 분류된다. 태양과 가장 가까울 때 태양-파에톤 거리는 태양-수성 거리보다 짧은 0.14AU에 불과하다.

 ※ 지구위협소행성(PHA, Potentially Hazardous Asteroid) : 지구에서 가장 가까울 때의 거리가 지구-달거리의 약 19.5배인 0.05AU이며 지름이 140m보다 큰 소행성 


2. 데스티니 플러스의 임무

일본우주항공연구개발기구(JAXA)가 심우주 탐사기술을 시험하는 한편 소행성 파에톤을 직접탐사하기 위해 기획한 임무. JAXA는 소형우주과학 프로그램으로 준비하고 있으며 2022년 입실론 로켓으로 발사한다. 데스티니 플러스는 ‘행성 간 여행에 필요한 우주기술 실험 및 검증’ (DESTINY+, Demonstration and Experiment of Space Technology for INterplanetary voYage Phaethon fLyby dUSt science)의 약자다.

데스티니 플러스는 하야부사1호(2003~2010), 하야부사2호(2014~)에 이어 JAXA가 기획하는 세 번째 소행성 탐사임무다. JAXA가 이를 통해 달성하려고 하는 과학목표는 행성간 먼지의 기원과 특성 규명이다. 

태양계 행성 간 공간에 분포하는 먼지는 유성을 일으키며 먼 과거, 지구와 같은 행성을 이루는 벽돌(building block) 역할을 했다. 행성 간 먼지는 지구에 유기물을 실어 나른 매질로 우리 태양계의 형성과 진화뿐 아니라, 지구의 생명 발생에 중요한 역할을 했을 것으로 보인다. 데스티니 플러스 탐사선은 파에톤 접근 이전에 먼지 검출기를 이용해 행성간 먼지를 포집하고 그 물리적 특성을 밝힌다. 일단 파에톤에 접근하면 초속 30km가 넘는 빠른 속도로 소행성 파에톤을 근접통과하면서 다양한 과학탐사 활동을 펼친다.

데스티니 플러스는 먼지 검출기(DDA, DESTINY Dust Analyzer)를 이용해 파에톤에서 분출되는 먼지의 특성을 분석하는 한편, 망원카메라(TCAP, Telescopic Camera for Phaethon)와 다중밴드 카메라(MCAP, Multiband CAmera for Phaethon)를 이용해 파에톤의 지형적 특성과 표면 반사율의 분포를 조사, 먼지가 분출되는 원리를 규명한다.


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그림 3. 데스티니 플러스 탐사선 ⓒJAXA/ISAS



[참고 3]  논문 및 연구팀

1. 파에톤의 자전주기와 자전축 방향, 3D 형상에 관한 연구

- 제목 : Optical observations of NEA 3200 Phaethon (1983 TB) during the 2017 apparition

- 게재지 : Astronomy and Astrophysics, 2018년 11월 14일자

- 연구팀 : 김명진(한국천문연구원), 이희재(한국천문연구원, 충북대학교), 이상민(한국천문연구원, 충북대학교), 김동흔(한국천문연구원, 충북대학교), Fumi Yoshida(일본 치바공대 행성탐사연구소), Przemyslaw Bartczak(폴란드 Adam Mickiewicz 대학교), Grzegorz Dudzi?ski(폴란드 Adam Mickiewicz 대학교), 박진태(한국천문연구원), 최영준(한국천문연구원), 문홍규(한국천문연구원), 임홍서(한국천문연구원), 최진(한국천문연구원), 최은정(한국천문연구원) 외 14인


2. 파에톤 표면 물질의 균질성에 관한 연구

- 제목: Investigation of surface homogeneity of (3200) Phaethon

- 게재지 : Planetary and Space Science, 2019년 1월 22일자

- 연구팀 : 이희재(한국천문연구원, 충북대학교), 김명진(한국천문연구원), 김동흔(한국천문연구원, 충북대학교), 문홍규(한국천문연구원), 최영준(한국천문연구원), 김천휘(충북대학교), 이병철(한국천문연구원), Fumi Yoshida(일본 치바공대 행성탐사연구소), 노동구(한국천문연구원), 서행자(인스페이스)


[문의]

☎ 042-865-3251, 우주과학본부 문홍규 박사

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