NASA의 거주 가능한 세계 관측소 계획 진행 중 8월 초, 과학자와 엔지니어들은 Caltech의 작은 강당에 모여 지구와 유사한 행성의 생명체를 탐지할 수 있는 최초의 우주 망원경 구축에 대해 논의했습니다. 거주 가능 세계 관측소(HWO)라고 불리는 제안된 임무 개념은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 따르는 강력한 천체 물리학 관측소가 될 것입니다.

이 기술은 별빛을 가리고 별 주위를 도는 행성의 존재를 드러내는 데 사용됩니다.

그것은 외계 행성으로 알려진 태양계 외부의 행성을 포함하여 별, 은하 및 기타 우주 물체를 연구할 수 있는 능력을 갖게 될 것입니다. 외계 행성에서 생명체를 발견하는 것은 먼 목표일 수 있지만 Caltech 워크숍의 목적은 BGI가 다른 곳에서 생명체를 찾는 데 필요한 기술 수준을 평가하는 것이었습니다.

"우리는 임무를 설계하기 전에 가능한 한 핵심 기술을 개발해야 합니다."라고 HWO 기술 평가 그룹(TAG)의 회원이자 David Morrisroe 천문학 교수이자 Caltech에서 NASA가 관리하는 JPL(제트 추진 연구소)의 수석 연구 과학자인 Dimitri Mawet이 말했습니다. 우리는 기술 성숙 단계에 있습니다. 아이디어는 거주 가능한 세계 관측소(Habitable World Observatory)가 비용 초과 위험을 최소화하면서 혁신적인 과학적 결과를 제공할 수 있도록 기술을 더욱 발전시키는 것입니다."

잠재적으로 거주 가능한 행성이 될 가능성이 가장 높은 후보 중 하나인 암석 외계행성 케플러-186f에 대한 예술가의 인상은 생명이 존재할 수 있는 지구와 얼마나 비슷하거나 다를까요? 이미지 출처: NASA/Ames/SETI 연구소/JPL-Caltech.

HWO는 국립과학원(National Academy of Sciences)의 2020년 천문학 및 천체물리학 10년 조사(Astro2020)의 일환으로 1930년대 후반 또는 2040년대 초반에 발사될 예정입니다. 임무의 관측 시간은 일반 천체 물리학과 외계 행성 연구로 나누어집니다.

Caltech의 Harold A. Rosen 물리학 교수이자 물리학, 수학, 천문학 부문의 Kent 및 Joyce Cresa 리더십 의장이자 Astro2020 10주년 보고서의 공동 의장 두 명 중 한 명인 Fiona Harrison은 "10주년 기념 설문조사에서는 천체 물리학에 가져올 혁신적인 역량과 우리 태양계를 넘어 전체 태양계를 이해하기 때문에 이 임무를 최우선 과제로 권장합니다."라고 말했습니다.

기술의 진보와 과제

외계 행성의 대기를 특성화하여 생명체의 징후를 찾는 우주 망원경의 능력은 먼 별에서 나오는 눈부심을 차단하는 기술에 달려 있습니다. 별빛을 차단하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 하나는 코로나그래프라고 불리는 망원경 내부의 작은 배플입니다. 다른 하나는 Starshade라고 불리는 망원경 외부의 커다란 배플입니다. 우주에서 별 방패는 아래와 같이 거대한 해바라기 모양의 구조로 확장됩니다.

애니메이션은 미래의 우주 망원경이 행성의 사진을 찍을 수 있도록 별의 눈부심을 차단하도록 설계된 거대한 구조물인 별 방패의 프로토타입을 보여줍니다. 출처: NASA

두 경우 모두 별의 빛이 차단되어 근처 행성에서 반사된 희미한 별빛이 비치게 됩니다. 이 과정은 웃는 친구의 사진을 찍을 때 손으로 태양을 가리는 것과 비슷합니다. 연구자들은 행성의 빛을 직접 포착하여 분광계라는 다른 장비를 사용하여 해당 빛을 면밀히 조사하고 화학적 특징을 찾을 수 있습니다. 먼 별을 공전하는 행성에 생명체가 있다면, 그 생명체의 집단적 들이쉬기와 내쉬기는 생체 신호의 형태로 감지될 수 있습니다.

NASA의 JPL 외계행성 탐사 프로그램 수석 기술자인 닉 시글러(Nick Siegler)는 "우리 은하계의 거주 가능 구역에만 지구 크기의 행성이 수십억 개나 있을 것으로 추정한다"고 말했다. "거주 가능 구역은 온도가 액체 물에 적합한 별 주변 지역입니다." 성장 지역. 우리는 생명의 존재를 나타낼 수 있는 산소, 메탄, 수증기 및 기타 화학 물질을 찾아 외계 행성의 대기를 조사하고 싶습니다. 작은 녹색 인간을 찾는 대신, 우리는 생체특징이라고 부르는 이러한 주요 화학물질의 스펙트럼 특징을 보고 싶습니다."

Siegler에 따르면 NASA는 HWO 개념의 코로나그래프 경로에 초점을 맞추기로 결정했습니다. 이는 NASA의 낸시 그레이스 로마 우주 망원경에 대한 최근 투자를 기반으로 하며, 고급 코로나그래프를 사용하여 가스 거대 외계 행성을 이미지화할 것입니다. (Caltech의 IPAC에는 로마 과학 지원 센터가 있습니다). 오늘날 코로나그래프는 궤도를 도는 JWST, 허블, 지상 관측소를 비롯한 여러 다른 망원경에서 사용됩니다.

MIT의 Sara Seager는 Caltech 심포지엄에서 "거주 가능한 세계 관측소를 위한 별빛 억제"라는 제목으로 강연했습니다. 출처: 칼텍

혁신과 미래 전망

Mavitt는 W.M.에서 사용되는 도구인 코로나그래프를 개발했습니다. 하와이 빅아일랜드의 마우나 케아 꼭대기에 있는 켁 천문대. 소용돌이 코로나그래프(vortex coronagraph)로 알려진 코로나그래프의 최신 버전은 Mavitt가 발명했으며 Keck Planetary Imaging and Characterization Instrument(KPIC)에 보관되어 있어 연구자들이 젊고 따뜻한 가스 거대 외계 행성의 열복사를 직접 이미지화하고 연구할 수 있습니다. 코로나그래프는 별의 빛을 상쇄시켜 별보다 백만 배 더 어두운 행성의 사진을 찍을 수 있게 해줍니다. 이를 통해 연구자들은 젊은 가스 거대 외행성의 대기, 궤도 및 회전 특성을 자세히 설명할 수 있어 다른 태양계의 형성과 진화에 관한 질문에 답하는 데 도움이 됩니다.

그러나 우리가 알고 있는 생명체가 가장 번성할 가능성이 가장 높은 행성인 쌍둥이 지구 행성을 직접 이미징하려면 기존 기술의 엄청난 개선이 필요합니다. 거주 가능 구역에서 지구 궤도를 도는 태양과 같은 별과 같은 행성은 별의 눈부심에 의해 쉽게 가려집니다. 예를 들어, 우리 태양은 지구보다 100억 배 더 강력합니다. 코로나그래프에서 이러한 수준의 별빛 억제를 달성하기 위해 연구자들은 그들의 기술을 극한까지 밀어붙여야 했습니다. Marvitt는 "필요한 별빛 억제 수준에 가까워질수록 문제는 기하급수적으로 증가합니다"라고 말했습니다.

NASA의 외계 행성 탐사 프로그램 기술 관리자인 닉 시글러(Nick Siegler) 박사의 설명을 통해 코로나그래프의 작동 원리와 외계 행성을 직접 촬영하는 데 어떻게 도움이 되는지 자세히 소개했다. 출처: NASA

Caltech 워크숍 참석자들은 기기 내부의 초정밀 변형 렌즈로 광파를 제어하는 ​​코로나그래프 기술에 대해 논의했습니다(위 동영상 참조). 코로나그래프가 별빛의 대부분을 차단하더라도 산란광은 여전히 ​​최종 이미지에 들어가 점으로 나타납니다. 수천 개의 푸시로드를 사용하여 변형 거울의 반사 표면을 밀고 당기는 방식으로 연구원들은 잔여 별빛 반점을 제거할 수 있었습니다.

다가오는 낸시 그레이스 로마 우주 망원경은 거울이 활발하게 변형되기 때문에 "능동" 유형이라고 불리는 이러한 유형의 코로나그래프를 최초로 사용하게 될 것입니다. JPL에서 더 많은 테스트를 거친 후 로마 코로나그래프는 결국 NASA의 고다드 우주 비행 센터의 최종 망원경에 통합되어 늦어도 2027년까지 우주로 발사될 것입니다. 로마 코로나그래프를 통해 천문학자들은 천문학자들이 별보다 10억 배 더 어두운 외계 행성의 이미지를 촬영할 수 있습니다. 여기에는 성숙하고 젊은 가스 거인뿐만 아니라 행성 형성에서 남은 잔해 원반도 포함됩니다.

JPL의 로마 코로나그래프 기술 전문가인 Vanessa Bailey는 "로마 코로나그래프는 태양계 밖의 생명체를 찾는 NASA의 다음 단계입니다. 오늘날의 망원경과 거주 가능한 세계 관측소 사이의 성능 격차는 너무 커서 한꺼번에 메울 수 없습니다. 로마 코로나그래프의 목적은 중간에 디딤돌이 되는 것입니다. 코로나그래프 마스크와 변형 거울을 포함한 여러 가지 필수 기술을 외부에서는 결코 달성할 수 없는 수준의 성능으로 보여줄 것입니다. 실험실."

태양과 같은 별 주위의 지구의 쌍둥이를 직접 이미지화하는 것을 목표로 하는 것은 로마의 코로나그래프 뒤에 있는 기술을 더욱 발전시키는 것을 의미합니다. "우리는 거울을 피코미터 수준까지 변형할 수 있어야 합니다"라고 Marvitt는 설명합니다. "우리는 로마 코로나그래프보다 약 100배 더 별빛을 억제해야 합니다. 이 워크숍은 기술 격차가 어디에 있는지, 그리고 향후 10년 동안 더 많은 개발이 필요한 부분을 파악하는 데 도움이 됩니다."

워크숍에서 논의된 다른 주제로는 코로나그래프와 함께 사용할 수 있는 최고의 주 거울 유형, 거울 코팅, 미세 유성체로 인한 거울 손상 처리, 변형 가능한 거울 기술, 통합 모델링 및 설계를 위한 탐지기 및 고급 도구가 포함되었습니다. 엔지니어들은 또한 별 방패와 기술 준비 상태에 대한 업데이트를 제공했습니다.

지구의 쌍둥이로 가는 길을 발견하다

동시에 기술이 계속 발전함에 따라 다른 과학자들도 HWO가 촬영할 수 있는 지구와 유사한 행성을 찾기 위해 별에 관심을 돌리고 있습니다. 현재까지 5,500개가 넘는 외계행성이 발견됐지만, 그 중 실제로 지구와 같은 행성은 하나도 없습니다. Caltech가 주도하는 Keck Observatory의 새로운 Keck Planet Probe(KPF)와 같은 행성 사냥 도구는 별이 궤도를 돌 때 별에 가하는 인력을 찾아 행성을 발견하는 데 이미 더 능숙합니다. 더 무거운 행성은 별에 더 가까운 행성과 마찬가지로 더 큰 잡아당김을 발휘합니다. KPF는 별에 더 가까운 작은 붉은 별의 거주 가능 구역에서 지구 크기의 행성을 찾도록 설계되었습니다. 향후 몇 년 동안 KPF는 지속적으로 개선되어 지구 쌍둥이를 감지할 수 있을 것입니다.

1930년대 말이나 1940년대 초에 HWO가 발사될 때까지 과학자들은 탐사할 수 있는 지구와 유사한 행성이 최소한 25개 있는 카탈로그를 갖기를 희망합니다.

앞으로 가야 할 길이 멀음에도 불구하고 심포지엄의 과학자들은 전국에서 패서디나를 여행한 동료들과 이러한 과제에 대해 논의하고 싶어했습니다. JPL 이사 Laurie Leshin(M.A. ’89, Ph.D. ’95)이 회의 시작 부분에서 감동적인 연설을 했습니다. "이것은 흥미롭고 어려운 도전입니다. 하지만 그것이 바로 우리가 원하는 것입니다. 우리는 이 문제와 혼자 싸우는 것이 아닙니다. 우리는 함께 일해야 합니다."라고 그녀는 말했습니다.