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어두운 천체 관측에 최적화된 국산 망원경 K-DRIFT 개발 2021-08-31

어두운 천체 관측에 최적화된 국산 망원경 K-DRIFT 개발

- 30cm 소형망원경으로 세계 최대 단일 구경인 8.2m 스바루 망원경과 동등한 품질로 가까운 우주 극미광 영역 관측 성공

- 순수 국내 협력기술로 개발한 자유곡면 광학망원경, 미래 우주 탐사 활용 가능성 커


□ 한국천문연구원(이하 천문연)은 밤하늘보다 수천 배 어두운 극미광(Ultra Low Surface Brightness, Ultra LSB) 천체*를 효율적으로 관측할 수 있는  30cm급 비축 자유곡면 망원경 K-DRIFT(KASI-Deep Rolling Imaging Fast optics Telescope)를 국내 순수 기술로 개발하는 데 성공했다.

*극미광 천체: 밤하늘의 일정한 면적을 관측했을 때 배경 밤하늘의 평균 밝기보다 수천 배 이상 어두운 천체 


□ 일반적으로 광학망원경은 구경이 커질수록 빛을 모으는 집광력과 물체를 구분하는 능력인 분해능이 높아진다. 그래서 세계 유수의 천문대들은 우주 초기의 모습을 간직하고 있는 더 먼 거리의 어두운 천체를 보기 위해 망원경 구경의 크기를 키우고자 한다. 그러나 비교적 가까운 우주에는 오랜 시간 동안 성장한 천체의 다양한 흔적이 넓은 범위에 걸쳐 희미하게 극미광 영역에 존재하는데, 가까운 우주의 극미광 천체 관측의 경우 비록 구경이 크지 않더라도 넓은 시야각을 가진 저배율 망원경이 더 유리할 수 있다. 


□ 천문연 고종완 박사가 이끄는 극미광 천체관측 연구팀은 최근 K-DRIFT 시험모델을 보현산천문대에 설치해 NGC 5907 은하 주변에 존재하는 밤하늘 밝기보다 약 1000배 어두운 극미광 영역 관측에 성공했다. 이번에 개발한 망원경은 구경 30cm의 소형 광학망원경이지만 현존하는 세계 최대 단일 구경인 8.2m 스바루(Subaru) 망원경과 동등한 품질의 거대은하 주변 극미광 영역 관측 영상을 획득했다. K-DRIFT는 스바루 망원경 구경 면적의 약 750분의 1 크기이나 망원경 구경에 따른 집광력, 노출 시간, 그리고 관측 조건 등을 고려했을 때 가까운 우주의 극미광 천체 관측에 있어 스바루 망원경보다 약 100배 이상의 관측 성능을 보였다.

 

□ 일반적인 반사망원경은 주축을 중심으로 대칭 형태인 축대칭 망원경으로 제작하는데 축대칭 구조로 인해 부경에 의한 차폐현상이란 큰 단점이 발생한다. 이번에 개발한 K-DRIFT는 비축 자유곡면 3반사 망원경 시스템(Linear Astigmatism Free-Three Mirror System)을 통해 기존 축대칭 반사망원경들이 갖고 있는 단점인 부경의 차폐현상을 제거하고, 망원경 내부에서 발생하는 산란광과 수차를 제거함과 동시에 넓은 시야를 확보해 가까운 우주의 극미광 천체 관측에 최적화됐다. 이번 망원경에 적용된 비축 자유곡면 3반사경은 첨단 초정밀 가공 기술이 필요하며 설계부터 가공, 조립, 정렬 등 모든 제작을 순수 국내 연구진들이 개발하여 실제 관측에 성공한 첫 사례이다. 


□ K-DRIFT와 같은 비축 자유곡면 반사망원경은 작은 구경의 소형 망원경으로도 더 넓은 시야에서 고품질의 영상을 획득할 수 있어 우주와 우리 은하의 구조를 연구하기에 적합하다. 따라서 비축 자유곡면 반사망원경은 구축 및 발사비용에 있어 중량 제약이 큰 우주망원경에 효율적 대안이 된다. 특히, 미항공우주청(NASA)은 향후 추진 예정인 차세대 우주망원경 주요 임무 4개 중 2개의 임무에 비축 자유곡면 반사망원경 기술 활용을 준비 중이다.


□ 연구진은 보현산천문대에 K-DRIFT 시험모델 관측시스템 구축을 마무리하고 연말부터 가까운 우주의 거대은하 주변 극미광 영역 탐사 관측을 시작할 예정이다. 더불어 비축 자유곡면 3반사경의 성능을 더욱 향상시켜 2024년 이후에는 K-DRIFT를 칠레 등 천문관측에 적합한 지역에 설치해 전천(全天) 극미광 탐사를 시작할 계획이다.


□ 한편, 천문연은 비축 자유곡면 망원경 국산화 개발을 위해 지난 2019년부터 국내 광학부품 제작 중소기업들과 협력해 관련 연구를 진행했다. 천문연은 극미광 영역 탐사 임무 분석, 설계 및 관련 시험을 맡고, ㈜그린광학은 반사경 가공과 측정 기술 개발, ㈜에스앨랩은 망원경 가대 제작을 담당했다.


□ K-DRIFT 개발 과제책임자인 천문연 고종완 선임연구원은 “현재 우주탐사 선진국을 중심으로 경쟁적으로 개발 중인 비축 자유곡면 반사망원경은 미래 우주망원경 개발뿐 아니라 지구탐사 관측 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 최첨단 기술”이라며, “출연연과 산업체가 협력해 개발한 K-DRIFT가 그동안 미지의 영역이던 극미광 탐사관측의 새로운 활로를 개척하게 될 것이다”고 말했다.


[문의]

한국천문연구원 광학천문본부 고종완 선임연구원 (Tel: 042- 865-3394)

한국천문연구원 천문우주기술센터 김윤종 선임연구원 (Tel: 042- 865-2181)


[참고1] 참고 동영상 및 사진


ㅇ동영상 1. K-DRIFT 시험모델의 NGC 5907 주변 극미광 관측 영상 (빨간색 화살표가 가리키는 곳이 극미광 영역)

http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMBHrjeRuMP_Q~~.mp4


ㅇ동영상 2. K-DRIFT 시험모델 촬영 동영상

http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMBH7zeQOYM-w~~.mp4


01

그림1. K-DRIFT 시험모델의 관측 모습


02

그림2. K-DRIFT와 스바루 망원경으로 관측한 NGC 5907 은하 주변 극미광 영역 관측 비교 영상

K-DRIFT는 스바루 망원경 구경 면적의 약 1000분의 1 크기이지만 망원경 구경에 따른 집광력, 노출 시간, 그리고 관측 조건 등을 고려했을 때 극미광 천체 관측에 있어 스바루 망원경보다 100배 이상의 관측 성능을 보였다. 긴 타원형의 막대형태가 NGC 5907 은하이며, 붉은 화살표가 가리키는 은하 주변의 옅은 고리 형태가 이번 시험관측에 성공한 극미광 영역이다.


[참고2] 참고 설명

ㅇ극미광 천체(Ultra Low Surface Brightness, Ultra LSB)

극미광 천체란 밤하늘의 일정한 각면적(입체각)에 해당하는 천체의 겉보기 밝기가 같은 면적의 배경 밤하늘 평균밝기보다 수천 배 이상 어두운 천체이다. 이번에 관측한 NGC 5907 은하의 주변에는 은하의 크기보다 훨씬 거대한 구조로 별들이 물결처럼 흘러 들어온 흔적이 남아 있다. 극미광 영역 관측으로 밝혀진 이 고리 형태의 흔적은 수십억 년 전에 이 은하의 주변에 있던 작은 위성은하가 병합되는 과정에서 조석력에 의해 부서진 잔해들로 NGC 5907 은하가 성장해 온 흔적이다. 이렇게 희미하게 넓게 퍼진 별들의 흐름은 대부분의 거대은하 주변에 있을 것이라 예상된다. 하지만 현재의 관측기술은 아주 극소수의 은하에 대해서만 그 존재를 확인하고 있다. 가까운 우주의 극미광 천체를 관측하기 위해서는 넓은 시야를 가지면서 내부 잡광을 최소화한 망원경 개발과 정확한 배경하늘 값 결정을 위한 관측법 개발이 필요한데, 지금까지 국내에서는 이 요구조건을 만족하는 망원경 제작기술이 전혀 없었다. 


ㅇ비축 자유곡면 반사망원경(Off-axis Freeform Reflective Mirror System)

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그림3. 축대칭 반사망원경(왼쪽)과 비축 자유곡면 반사망원경(오른쪽) 도식도

K-DRIFT 패스파인더 반사망원경은 비축 자유곡면의 선형 비점수차가 제거된 3반사 망원경 시스템(Linear Astigmatism Free-Three Mirror System)을 통해 기존 축대칭 반사망원경들이 갖고 있는 단점인 부경의 차폐현상을 제거하고, 망원경 내부에서 발생되는 산란광과 수차를 제거함과 동시에 넓은 시야를 확보해 극미광 천체 관측에 최적화됐다.


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그림4. K-DRIFT 패스파인더 망원경 설계도

- (왼쪽)반사경(M1, M2, M3)은 광기계부와 결합되어 망원경 경통에 부착, 검출기 앞에 배플(baffle)을 붙여 내부에서 반사되는 빛을 차단해, 전체적으로 망원경 내부 잡광을 줄이기 위해 간결한 구조로 설계됐다

- (오른쪽)오목한 자유곡면의 M1, M3 반사경과 볼록한 자유곡면의 M2 반사경을 통해 검출기까지 가는 빛의 경로를 보여준다.


ㅇNASA의 차세대 우주망원경에 비축 자유곡면 반사망원경 기술 활용 계획

미국국가연구위원회(National Research Council)는 국가적으로 추진하는 10년 단위 연구 중 6번째 연구보고서인 ‘2020 천문학과 천체물리학에 대한 10년 단위 조사보고서(2020 Astronomy and Astrophysics Decadal Survey, Astro2020)’를 발표했다. 이 보고서에는 향후 2022년부터 2031년까지의 10년에 대한 우주와 천문학, 천체물리학에 대한 광범위하고 통합적인 계획을 제시하고 있다.

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(관련 링크 : https://www.nationalacademies.org/our-work/decadal-survey-on-astronomy-and-astrophysics-2020-astro2020)


Astro2020에 NASA가 추진하는 거대 과학임무로 아래와 같은 총 4개의 우주망원경을 제시하고 있으며, NASA는 이중 2개의 임무에 비축 자유곡면 반사망원경 기술을 활용할 것을 검토 중이다.

ㅇ LUVOIR(Large Ultra-Violet Optical Infrared Surveyor) =>비축 자유곡면 반사망원경 활용 검토

ㅇ OST(Origins Space Telescope) =>비축 자유곡면 반사망원경 활용 검토

ㅇ HabEx(Habitable Exoplanet Imaging Mission)

ㅇ Lynx(formerly X-Ray Surveyor)


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 (관련 링크 : https://ntrs.nasa.gov/citations/20170010419)

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