우주 이야기 1118 - 외계 행성의 대기를 관측할 초소형 탐사선 판도라

 (An exoplanet as it is about to cross in front of – or transit – its star. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center)

(This illustration (not to scale) depicts Pandora’s orbital pattern in Sun-synchronous low-Earth orbit, located approximately 435 to 497 miles (700 to 800 kilometers) above Earth’s surface, as it observes its targeted exoplanets and stars. This orbit enables Pandora to obtain multiple observations of exoplanets over long periods and the Earthshine exclusion zone helps avoid reflected light from Earth. Credit: Lawrence Livermore National Laboratory and NASA’s Goddard Space Flight Center)

(This illustration depicts Pandora’s use of transit spectroscopy to reliably identify an exoplanet’s atmospheric composition as it passes in front of its host star. Credit: Lawrence Livermore National Laboratory and NASA’s Goddard Space Flight Center)

 

 나사는 180kg 이하의 소형 위성인 스몰셋 (SmallSat)을 이용해 저렴한 가격으로 우주 탐사 임무를 수행하는 뉴 파이오니어스 프로그램(new Pioneers program)을 진행 중입니다. 이 프로그램의 목적인 대략 2000만 달러 이하의 비용으로 상당히 비용 효과적인 천체물리학 연구를 진행하는 것입니다. 기술 발전으로 과거 중대형 위성이 했던 일을 소형 위성으로도 할 수 있게 되면서 생긴 변화이기도 합니다. 

 나사 고다드 우주 비행 센터의 엘리사 퀸타나 (Elisa Quintana, an astrophysicist at NASA's Goddard Space Flight Center)가 이끄는 연구팀은 외계 행성의 대기를 관측할 판도라 (Pandora)를 개발하고 있습니다. 판도라는 지표에서 700-800km 상공 태양 동조 저지구 궤도(Sun-synchronous low-Earth orbit) 위성으로 태양빛과 지구에서 반사된 태양빛이 잘 비추지 않는 특이한 궤도를 공전하면서 관측합니다. 

 판도라의 목적은 외계 행성이 항성의 앞으로 지날 때 행성 대기를 통과한 항성의 빛을 분석해서 대기의 구성을 알아내는 것입니다. 물론 이런 목적은 소형 위성이 아니라 큰 망원경에 더 적합하지만, 판도라에는 몇 가지 비장의 무기가 있습니다. 판도라는 태양과 지구의 빛에 간섭을 받지 않을 뿐 아니라 가시광은 물론 적외선 파장 관측이 가능해 항성 빛에 의한 행성 대기 스펙트럼 오염을 최소화할 수 있는 시스템을 갖추고 있습니다. 

 항성 앞을 지나는 행성은 사실 항성에 비해 매우 작기 때문에 대기를 통과한 빛만 따로 분리하기가 어렵습니다. 여기에 항성 자체도 표면에 흑점과 대기를 지니고 있어 관측에 혼동을 일으킵니다. 판도라는 행성에서 나오는 긴 적외선 파장 관측에 최적화되어 있어 이 문제를 극복하는데 유리합니다. 

 발사가 멀지 않은 차세대 우주 망원경인 제임스 웹 우주 망원경 역시 지구와 비슷한 크기의 외계 행성 대기 관측을 시도할 것입니다. 이 때 판도라는 제임스 웹 우주 망원경 관측 결과를 더 잘 해석할 수 있게 도와줄 것입니다. 제임스 웹 우주 망원경이 관측할 수 없는 파장도 관측이 가능할 뿐 아니라 수많은 관측 목표를 지닌 제임스 웹 우주 망원경과는 달리 장시간 수십 개의 천체를 관측할 예정이기 때문에 더 장기간 데이터 수집이 가능합니다. 이를 통해서 데이터를 서로 교차 검증하고 추가 분석하면 외계 행성의 대기를 더 자신 있게 말할 수 있는 것입니다. 

 아직은 개발 단계로 구체적인 발사 일정은 잡히지 않았으나 프로그램 목적상 빠른 개발과 발사가 이뤄질 것으로 생각됩니다. 외계 행성의 대기 구성과 구조를 알아낸다면 제 2의 지구로 생명체 존재 가능성이 높은 행성이 어디인지 알아낼 수 있을 것입니다. 어떤 관측 결과가 나올지 기대됩니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2021-03-pandora-mission-nasa-capabilities-probing.html