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지구교신 없이 길 찾는 우주선… 深우주 탐사 새 돌파구 되나

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2018년 01월 26일 07:19 프린트하기

미국항공우주국(NASA)이 개발한 X선 내비게이션 ‘섹스턴(SEXTANT)’에 활용되는 소형 X선 망원경들. ‘중성자별 내부 구성성분 탐사 기기(NICER·나이서)’에 탑재돼 지난해 국제우주정거장(ISS)에 설치됐다. 섹스턴트는 여러 개의 중성자별(맥동성)이 내뿜는 X선을 측정해 실시간으로 관찰자의 위치를 계산한다. 미국항공우주국 제공
미국항공우주국(NASA)이 개발한 X선 내비게이션 ‘섹스턴트(SEXTANT)’에 활용되는 소형 X선 망원경들. ‘중성자별 내부 구성성분 탐사 기기(NICER·나이서)’에 탑재돼 지난해 국제우주정거장(ISS)에 설치됐다. 섹스턴트는 여러 개의 중성자별(맥동성)이 내뿜는 X선을 측정해 실시간으로 관찰자의 위치를 계산한다. 미국항공우주국 제공

우주선이 심(沈)우주에서 길을 잃지 않고 안전하게 나아가려면 자신의 위치를 정확하게 파악할 수 있어야 한다. 달이나 화성, 소행성 등 움직이는 천체에 착륙할 때도 실시간 위치 파악은 필수다. 
 
18세기 망망대해를 누볐던 항해사들은 배의 위치를 파악하기 위해 육분의(六分儀·sextant)라는 측량기구로 별과 수평선 사이의 각거리를 쟀다. 그로부터 수백 년이 흐른 지금, 과학자들은 더 먼 우주로 나아가기 위해 천체를 관측하고 있다. 천체로부터 오는 X선을 관측해 우주 한 가운데서도 지구와의 교신 없이 우주선이 스스로 위치를 알아낼 수 있는 ‘X선 내비게이션’이 개발돼 새로운 심우주 항법 기술로 떠오르고 있다.

 

● NASA ‘X선 내비게이션’ 기술 검증 성공…여러 중성자별과의 상대적 거리 측정해 위치 파악

 

미국항공우주국(NASA)은 최근 우주공간에서 X선 내비게이션 ‘섹스턴트(SEXTANT)’의 성능을 처음으로 검증하는 데 성공했다고 이달 11일(현지 시간) 밝혔다. 연구 결과는 이날 미국에서 열린 제231회 미국천문학회 정기학회에서 공개됐다.

 

섹스턴트는 우주상에서의 위치를 알고 있는 ‘밀리세컨드 펄서(맥동성)’ 여러 개가 내뿜는 X선을 동시에 관측하고, 이를 바탕으로 관찰자(우주선)의 상대적인 위치를 파악한다. 밀리세컨드 펄서는 초당 수백 번씩 빠르게 회전하는 중성자별로, 극에서 X선 같은 고에너지의 광선 빔을 내뿜는다. 지구에서 볼 때 밀리세컨드 펄서는 일정한 속도로 계속 회전하고 있기 때문에 빛이 밀리초 단위로 깜빡이는 것처럼 보인다. 우주공간의 등대인 셈이다. 섹스턴트는 이런 펄서들로부터 오는 X선을 분석해 각 펄서와의 거리, 각도 등을 측정한다

 

‘중성자별 내부 구성성분 탐사 기기(NICER·나이서)’가 국제우주정거장(ISS)에 설치된 모습. 주요 임무는 중성자별의 크기, 성분 등을 관측하는 일이지만, X선 내비게이션 ‘섹스턴트(SEXTANT)’의 성능 검증 실험에도 활용된다. - 미국항공우주국 제공
‘중성자별 내부 구성성분 탐사 기기(NICER·나이서)’가 국제우주정거장(ISS)에 설치된 모습(가운데). 주요 임무는 중성자별의 크기, 성분 등을 관측하는 일이지만, X선 내비게이션 ‘섹스턴트(SEXTANT)’의 성능 검증 실험에도 활용된다. - 미국항공우주국 제공

NASA는 지난해 6월 섹스턴트를 탑재한 ‘중성자별 내부 구성성분 탐사 기기(NICER·나이서)’를 쏘아올려 국제우주정거장(ISS)에 설치했다. 무게는 5kg 수준으로 우주선에 탑재할 수 있을 정도로 가볍다. 나이서의 소형 X선 망원경 52개는 5~15분 간격으로 ‘J0218+4232’ ‘B1821-24’ ‘J0030+0451’ ‘J0437-4715’ 등 4개의 밀리세컨드 펄서를 번갈아 관측한다. ISS는 400km 고도의 지구 궤도를 돌고 있기 때문에 ISS의 위치에 따라 X선 신호 도달에 미세한 시차가 생긴다. 이런 작은 변화를 측정하면 움직이는 ISS의 위치도 계산할 수 있다.
 
연구진은 이런 방식으로 지난해 11월 섹스턴트를 이용해 움직이는 ISS 위치를 5km 오차범위 내로 실시간으로 파악하는 데 성공했다. 제이슨 미쉘 NASA 고다드우주비행센터 섹스턴트 프로젝트 매니저는 “이번 기술 검증은 유인(有人) 화성 탐사 같은 미래 심우주 탐사를 위한 새로운 돌파구로 기록될 것”라고 말했다. 연구진은 올해 중으로 오차범위를 1km 이하로 낮춘다는 목표다.
 
중국도 2016년 11월 X선 내비게이션 실험 위성인 ‘XPNAV-1’을 쏘아 올린 바 있다. 이 위성은 지구에서 6500광년 떨어진 중성자별 ‘크랩’에서 오는 X선을 관측하는 기초실험을 수행하고 있다.   
 

‘밀리세컨드 펄서(맥동성)’의 상상도. 밀리세컨드 펄서는 초당 수백 번씩 빠르게 회전하는 중성자별로, 극에서 X선 같은 고에너지의 광선 빔을 내뿜는다. 지구에서 볼 때는 펄서가 일정한 속도로 계속 회전하고 있기 때문에 빛이 밀리초 단위로 깜빡이는 것처럼 보인다. 우주공간의 등대인 셈이다. - 미국항공우주국 제공
‘밀리세컨드 펄서(맥동성)’의 상상도. 밀리세컨드 펄서는 초당 수백 번씩 빠르게 회전하는 중성자별로, 극에서 X선 같은 고에너지의 광선 빔을 내뿜는다. 지구에서 볼 때는 펄서가 일정한 속도로 계속 회전하고 있기 때문에 빛이 밀리초 단위로 깜빡이는 것처럼 보인다. 우주공간의 등대인 셈이다. - 미국항공우주국 제공

● 지구와의 교신 없이도 우주선이 스스로 실시간 위치 파악 가능

 
기존에는 우주선이 지상국과의 교신을 바탕으로 상대적인 거리 변화를 계산해 위치를 파악했다. 때문에 지구와의 거리가 멀어질수록 정밀도가 떨어졌다. 멀리 떨어진 지구와 데이터를 주고받을 때 생기는 시간 지연이나 수 시간씩 걸리는 데이터 처리 시간도 걸림돌이었다.
 
반면 X선 내비게이션은 여러 개의 밀리세컨드 펄서에서 오는 신호를 기반으로 하기 때문에 지구와 교신할 필요가 없어서 먼 우주에서도 정밀도를 유지할 수 있다.

 

실시간으로 위치를 파악할 수 있다는 점 역시 X선 내비게이션의 또 다른 강점이다. 키스 젠드류 NASA 고다드우주비행센터 나이서 연구총괄책임자는 “밀리세컨드 펄서가 일정한 속도로 빠르게 회전해 X선 신호도 일정하고 짧은 시간 간격으로 포착된다. 때문에 우주선이 움직이고 있어도 실시간으로 위치를 정확하게 파악할 수 있다”고 설명했다. 그는 “위성위치확인시스템(GPS)의 정확도를 높여 주는 원자시계 신호와 비슷하다”고 덧붙였다.
 
다만 실제 우주선에 적용되기까지는 시간이 걸릴 것으로 보인다. 송영주 한국항공우주연구원 선임연구원은 “장기적으로는 우주선 스스로 위치를 파악할 수 있는 기술이 심우주 탐사에 큰 도움이 될 것”이라면서도 “새롭게 개발되는 기술인만큼 위험 요소도 있기 때문에 충분한 검증 후에 임무에 활용될 것”이라고 말했다.

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