찬드라 엑스선 관측선


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찬드라 엑스선 관측선(CXO)

Chandra X-ray Observatory
(찬드라 엑스선 관측선)
임무 형태엑스선 관측
발사시 질량4,790 kg
오퍼레이터NASA / SAO / CXC
임무 기간예상 임무 기간 5년[1]
발사 일자1999년 7월
발사지케네디 우주센터
망원경 제원
형식Wolter type 1
직경1.2m
초점 거리10.2m
유효 파장엑스선 (0.1 - 10 keV)
장비
ACIS[2]/HRC[3]/HETG[4]/LETG[5]/HRMA[6]

찬드라 관측선의 임무 수행 15주년을 기념하는 NASA의 특별 영상

1 소개

NASA의 Great Observatories Program [7]중 3번째로 쏘아올려진 우주 망원경이며, 지구 외부의 엑스선을 수집, 관찰하여 우주의 구조와 기원, 진화에 대한 이해를 돕기위해 발사되었다. 찬드라라는 이름은 수브라마니안 찬드라세카르의 이름을 따서 명명되었다. 막돼먹은 타원 궤도를 형성하여 지구와 최대 13만 km 이상 멀어지는 것이 일반적인 인공위성들과 확연히 다른 점이다. 가장 먼 거리가 지구에서 달까지 거리의 1/3에 해당하는데, 지구 자기장에 묶여있는 밴 앨런 복사대[8]의 존재로 인하여 지구 내에서는 외부로 부터 유입되는 엑스선을 제대로 측정할 수가 없었기에 저렇게 까지 멀리 내보낸 것.

2 발사

컬럼비아의 마지막 유산
그러나 발사순간 한정으로 셔틀 역사에 손꼽힐만한 위험한 발사

STS-93 팀의 프리젠테이션. 대원들 중 스티브 홀리는 허블 우주 망원경 설치와 보수 미션에서도 활약한 베테랑이다. 천문학자 출신이라 수브라마니안 찬드라세카르와도 안면이 있었다고...

NASA 역사상 최초로 여성인 아일린 콜린스를 사령관으로 한 우주왕복선 STS-93 컬럼비아에 탑재되어 발사되었다. 찬드라는 이로서 우주왕복선 프로그램 사상 단일 페이로드 최대 중량[9] 기록을 갖게 되었다. 한편으로, 이 미션은 원래 아폴로 11호 달 착륙 50주년에 맞춰 발사될 예정이었다가 SSME 수소연료 누수가 발견되어 발사 절차가 중단되었다. 전미가 시무룩했다 그리고 3일 후인 1999년 7월 23일 0시 31분경 발사되었지만... T+5초부터 엔진이 이상하게 굴더니 끝끝내 SSME 노즐의 누수가 발생하여 예정된 궤도에 진입하는데 실패했다. 보다 구체적으로 서술하자면, 수소를 태우기 전부터 요실금 질질 흘리느라 추력이 시원치 않으니 산소를 더 쑤셔넣어서[10] 벌충했지만 그 대가로 엔진이 30초 가량 일찍 꺼졌다. 뭐, 찬드라의 궤도 형성에는 지장이 없었기에 다행이지만...

휴스턴에서의 발사 순간 녹취록

이후 정밀 점검을 거쳐 컬럼비아는 2002년 STS-109 허블 우주 망원경 4차 서비스 미션[11]에 투입된다. 그리고 그 다음 2003년 1월, 스페이스햅 미션 STS-107을 위해 발사된 뒤 돌아오지 못했다.

3 구조


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다른 광학 망원경과는 달리 거울 네쌍[12]이 입사하는 엑스선과 거의 평행(!)을 이루고 있는데, 이는 엑스선이 너무 강력하여[13] 광자들이 마치 벽에 대고 총을 쏘듯이 거울을 관통해버리기 때문에 엑스선의 지표각[14]을 이용하기 위함이라고 한다. 이렇게 반사시켜 모은 엑스선은 인간의 머리카락에 절반정도에 해당하는 크기만큼 좁혀지고, LETG와 HETG[15] 를 거치며 약 9.1미터까지 이동한 다음 마지막에 HRC에서 엑스선의 선명한 이미지를 포착해낸다. 이 과정을 통해 엑스선의 입사 위치와 에너지의 양, 도착 시간 등을 왜곡 없이 파악하여 천체의 물리적 환경을 전례가 없는 정확성으로 분석해 낼 수 있게 되었다.

4 성과


2016년 2월 17일 NASA가 게재한 사진으로, 찬드라 관측선이 퀘이사 B3 0727+409에서 찍은 이미지이다 . 저 파란 빛은 초거대 질량 블랙홀이 만들어내는 30만 광년 길이의 제트이며 이 제트에서 포착된 빛은 우주가 겨우 27억살일때 생긴 것으로 확인 되었다. 실로 굉장한 발견이라 할 수 있는데 이는 우주 형성 초기단계에서 부터 블랙홀이 존재했었다는 강력한 증거를 천문학자들에게 선사한 것이었다.[16] 오오 찬드라!! 오오!!


찬드라와 허블 우주 망원경의 합작.

찬드라 관측선은 지난 15년 이상 대적할 상대가 없을 정도의 고해상도 엑스선 이미지로 우주에 대한 우리의 시각을 더 넓혀주었다. 블랙홀과 불과 몇 마일 떨어지지 않은 초 고밀도 중성자별이 내뿜는 엑스선을 관측해냈고, 폭발하는 별의 내부를 볼 수 있도록 해줬으며, 수백만 광년 떨어진 곳의 은하 성단 속 가스구름의 온도를 알 수 있게 해주었다. 엑스선 관측선이 없었다면 이 모든 것들은 발견 될 수 없었을 것이다. 찬드라. 전혀 다른 모습으로 우주를 바라보는 그대여. -하버드-스미스소니언 천체물리센터[17]

찬드라 관측선은 초신성이나 퀘이사, 블랙홀과 관련하여 눈에띄는 성과를 내었고 엑스선 천문학의 엄청난 진보를 불러왔다. 초신성의 잔유물인 카시오페이아 A의 엑스선 이미지를 찍어 천문학자들에게 항성 잔유물에 대한 단서를 제공해주었고, 역시 초신성의 잔유물인 크랩 네뷸라속 펄서 주변에서 이제껏 보지 못한 형태의 고리와 제트 분출을 보여주었으며 초거대 질량 블랙홀인 궁수자리 A의 첫 엑스선 방출을 관측했다. 그 외에도 2000년 9월 M82 은하에서 태양 질량의 500배에 해당하는 블랙홀을 발견하였고, 2016년 2월 17일 한국 천문 연구원에서 NGC 5252 은하 중심부로 부터 3만 광년 떨어진 곳에 떠돌고있는 거대 블랙홀을 새롭게 발견했는데, 찬드라 관측선을 통해 최초 발견했다.

5 여담

아래의 글은 1999년 NASA가 찬드라 관측선을 대중에게 홍보하면서 쓴 흥미거리가 가득한 기사 속 내용들이다.

찬드라 관측선은 현재까지 세계에서 가장 강력한 엑스선 망원경이며 이전에 만들어졌던 엑스선 망원경들 보다 최대 8배 더 나은 해상도, 20배 더 나은 관측력을 가지고 있다.
운용 궤도는 허블 우주 망원경의 200배 이상이다.

찬드라 관측선의 해상력은 0.5 각초[18]인데, 19.3km 거리에 있는 정지 표지판의 글자를 읽을 수 있고. 803미터 밖에 있는 1cm짜리 신문 기사 제목도 읽어 낼수 있다

만약 콜로라도 주가 찬드라 관측선의 렌즈 표면처럼 매끄러웠다면, 해발 4302m의 Mt. Pikes Peak는 2cm 높이도 안됐을 것이다. 그만큼 렌즈를 미세하게 갈아댔다는 소리.
빛이 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는데에만 5백만년이 거리는 광대한 가스구름을 관측할 것이다.
블랙홀의 무지막지한 중력으로 부터 벗어날 수 있는 것은 존재하지 않지만. 찬드라 관측선은 입자들이 블랙홀로 삼켜지기 그 직전의 millisecond까지 조사해 낼 수 있을 것이다.
갈릴레오가 처음으로 발명했던 망원경에서 부터 관측력을 약 5억배로 끌어올린 허블 우주 망원경까지는 거의 4세기 가까이 걸렸으나, 찬드라 관측선은 최초의 엑스선 망원경의 관측력에 10억배까지 상승시켰고 30년 조금 넘게 걸렸을 뿐이다.
  1. ↑ 2016년 3월 기준으로 16년 7개월째
  2. ↑ Advanced CCD Imaging Spectrometer
  3. ↑ High Resolution Camera
  4. ↑ High Energy Transmission Grating
  5. ↑ Low Energy Transmission Grating
  6. ↑ High Resolution Mirror Assembly
  7. ↑ 대형 궤도 관측선 프로그램
  8. ↑ 지표면에서 1000 ~ 60000 km 까지 존재하는 방사선대
  9. ↑ 찬드라도 찬드라지만 컬럼비아도 셔틀 라인업 중 가장 무겁다. 이런 기록이 우주정거장도 아닌 찬드라 미션에서 쓰여진 이유는, 밴 앨런 대를 피하기 위해 설계된 막돼먹은(...) 타원형 궤도를 형성하기 위한 IUS 로켓 때문이다. IUS를 합치면 22,753kg에 달하는 무게가 된다.
  10. ↑ 비율상 8:1로 태울 것을 6:1이 될 지경으로 산소가 하드캐리했다.
  11. ↑ 이 미션 사령관이 위 미션 컨트롤 녹취록에서의 캡콤인 스캇 올트먼이다. 스쿠터는 콜사인.
  12. ↑ HRMA
  13. ↑ 지구 외부의 관측 가능한 엑스선은 천체가 수 백만도 이상 끓어 오르는 매우 극한 환경에서만 생성된다.
  14. ↑ Grazing angle, 입사파와 입사점에서의 경계면이 이루는 각
  15. ↑ 위의 그림에는 저 두개를 퉁쳐서 Transmission Grantings라고 표기되어 있다.
  16. ↑ 천문학자들이 제트의 나이를 저렇게 생각한 이유는 엑스선의 파장이 우주배경복사에 의해 부스팅 된다고 여겨지는데 저 사진에 포착된 엑스선은 근처 우주에서 발견된 엑스선보다 약 150배 정도 강력하기 때문이라 한다.
  17. ↑ Reviewing 15 years of wonder with Chandra
  18. ↑ arc-second, 1 각초는 1º를 3600등분 한 것이다.