스페이스 클럽 NASA와 스페이스X가 플로리다에서 낸시 그레이스 로만 우주 망원경을 성공적으로 발사하다

[발사총책임자]

NASA와 스페이스X는 NASA의 차세대 위대한 우주 관측소인 낸시 그레이스 로만 우주 망원경을 발사했습니다. 플로리다 케네디 우주센터에서 팔콘 헤비 항공기로 발사되어 태양-지구 라그랑주 점 2로 이동하며, 광장 기기와 코로나그래프 기기 두 장비를 사용해 외계 행성, 암흑 에너지 및 기타 천체물리 현상을 탐색할 예정입니다.

팔콘 헤비와 로만은 플로리다주 케이프커내버럴 케네디 우주센터 발사 단지 39A(LC-39A)에서 오전 7시 26분 EDT(11:26 UTC)에 발사되었습니다. 발사 후 로만은 약 한 달간 태양-지구 라그랑주 점 2(L2)까지 순항하며, 이 시간을 이용해 망원경 가동과 획기적인 과학 관측 준비를 할 예정입니다.

팔콘 헤비의 두 측면 부스터는 케이프 커내버럴 우주군 기지의 두 착륙 지점에 성공적으로 착륙했습니다. 팔콘 헤비가 망원경을 발사할 만큼 충분한 성능을 갖추도록 중심 코어는 회수되지 않았습니다.

https://www.youtube.com/live/-8yDQhVgypw?si=KUy6BQogYVRKz8IX

낸시 그레이스 로마 우주 망원경의 역사

로만 개념은 2010년 미국 국립연구위원회(NSRC) 10대 조사에서 광야적외선 탐사 망원경(WFIRST)을 향후 10년간 NASA의 최우선 과제로 삼을 것을 권고하면서 처음 등장했습니다. 처음에는 NASA와 에너지부가 제안한 공동 암흑에너지 임무와 유사점을 공유하며, WFIRST의 설계는 2011년부터 2012년까지 "WFIRST 설계 참조 임무 1"이라는 이름으로 연구되었습니다. 이 첫 번째 WFIRST 설계는 1.3m 3거울 아나스티그매트 아키텍처와 단일 프리즘 분광기 장비를 특징으로 했습니다.

하지만 2012년, 국가정찰국(NRO)은 WFIRST 임무를 위해 NASA에 사용하지 않는 해리스 코퍼레이션 망원경 두 대를 제공했습니다. 해리스 망원경은 NASA와 유럽우주국(ESA)이 공동으로 만든 허블 우주망원경과 같은 크기의 거울을 갖추었으나, 망원경의 초점 거리가 줄어들어 허블보다 더 넓은 시야각을 가지고 있었다. 완전히 새로운 망원경을 설계하는 것이 비용이 더 저렴했을 가능성이 높지만, NASA가 NRO 망원경을 과학 임무에 사용하기로 선택한 것은 WFIRST 임무에 정치적 중요성을 더했다.

여러 WFIRST 망원경 설계 개념을 검토한 후, NASA는 WFIRST 임무에 두 대의 해리스 NRO 망원경 중 하나를 선정했으며, 외계 행성 직접 촬영을 위한 코로나그래프 기기를 구현할 계획이었습니다.

NASA와 WFIRST 임무팀은 이후 수년간 임무 일정, 궤도, 목표를 계획하고 토론했다. 2015년 내내 연구팀은 망원경을 정지궤도 또는 L2로 보내는 방안을 연구하며, 관측 제약, 열 안정성, 그리고 두 위치에서의 향후 정비 임무 가능성을 고려했습니다. 2016년 2월까지 연구팀은 임무를 위해 L2의 헤일로 궤도를 활용하기로 결정했습니다.

메릴랜드 NASA 고다드 우주비행센터에서 제작 중인 로만. (출처: NASA/졸레라 치테야)

2018년 11월, NASA는 망원경 건설 및 운영 계약을 메릴랜드주 그린벨트에 위치한 NASA 산하 고다드 우주비행센터에 수여했습니다. NASA 센터는 허블 우주망원경과 제임스 웹 우주 망원경을 고다드 팀이 관리하는 등 망원경과 심우주 임무를 운영한 풍부한 경험을 보유하고 있습니다.

참고

• 로마 우주 망원경 업데이트
• 우주과학 보도
• NSF 스토어
• L2에 참여하려면 여기를 클릭하세요

WFIRST 팀원들은 2019년 2월 백서에서 임무 세부사항과 역량을 처음 발표했으며, NASA는 2020년 3월 망원경의 구현 및 제작을 승인했습니다. 2020년 5월, NASA 국장 짐 브리덴스타인은 WFIRST의 이름을 NASA 최초의 여성 임원이자 천문학 책임자인 낸시 그레이스 로만 우주망원경으로 변경한다고 발표했습니다.

망원경은 2021년에 중요한 설계 심사(CDR)를 통과하여 건설이 시작될 수 있는 길을 열었습니다. COVID-19 팬데믹으로 인해 망원경의 제작 및 발사 일정에 여러 차례 지연과 차질이 발생했지만, 팀원들은 2027년 발사일을 정했고, 모든 비행 하드웨어 제작은 2024년 말까지 완료될 예정이었습니다.

NASA는 2022년 7월 SpaceX의 팔콘 헤비에 발사 계약을 약 2억 5,500만 달러에 수여했습니다. 망원경의 대부분 장비와 전자장치를 수용하는 망원경 버스 제작은 2024년 9월에 완료되었고, 로만은 같은 해 10월에 스핀 테스트를 통과했습니다. 2024년 12월까지 로만의 거울과 기기들이 버스에 통합되었습니다. NASA는 망원경 건설이 2025년 11월에 완료되었다고 발표했습니다.

로만은 2025년 11월 최종 통합 후 고다드에서 완전히 배치된 모습이 보입니다. (출처: NASA/졸레라 치테야)

고다드에서 최종 테스트를 마친 후, 망원경은 특수 컨테이너에 실려 2026년 6월 메릴랜드에서 케네디 우주센터로 운송되었습니다. 컨테이너에서 분리된 후, 로만은 페이로드 위험 정비 시설로 옮겨져 세척, 점검, 연료 보충, 그리고 발사 하드웨어에 통합되었습니다. 망원경은 8월 24일 페이로드 페어링 안에 캡슐화되었고, 이후 LC-39A에 위치한 스페이스X의 수평 통합 시설로 옮겨져 팔콘 헤비에 통합되었습니다.

로만의 기기와 과학 목표

앞서 언급했듯이, 로만은 본질적으로 천체물리학 관측을 위해 개조된 해리스 NRO 망원경입니다. 발사 질량 10,500kg을 가진 이 망원경은 직경 2.4m, 3경 아나스티그매트(초점비 7.9)를 갖추고 있으며, 0.48에서 2.30 마이크로미터 사이의 파장을 관측할 수 있습니다. 이 파장 범위는 망원경이 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 근적외선 영역 전체를 관측할 수 있게 해줍니다. 이로 인해 로만은 허블과 웹의 하이브리드 같은 존재로, 허블의 거울 크기와 가시광선 파장 범위를 공유하며, 웹의 근적외선 파장 범위를 공유하지만 기기는 다릅니다.

로만의 두 악기 중 첫 번째는 와이드 필드 악기(WFI)입니다. 이 288메가픽셀 카메라는 1개의 광대역 필터와 7개의 협대역 필터를 통해 로만의 0.48에서 2.30 마이크로미터 파장 범위를 모두 관측할 수 있습니다. WFI에서 촬영한 단일 이미지는 보름달보다 큰 하늘 일부를 포착하며, 허블의 광시야 카메라 3에서 찍은 적외선 이미지보다 약 200배 더 큽니다.

통합 이전의 로만의 주요 거울. (출처: NASA/크리스 건)

WFI는 또한 고분산 입자(프리즘과 격자의 조합)와 저분산 프리즘을 사용하여 광시야 슬릿리스 분광법을 수행할 수 있습니다. 보정을 위해 로만은 우주에서 빛을 차단하고 보정빛을 망원경 검출기에 반사시키는 스펙트랄론 '다크 요소'를 탑재합니다. 광대역 필터, 7개의 협대역 필터, 고분산 그라슬, 저분산 프리즘, 암흑 요소 모두 요소 휠 어셈블리(EWA)에 통합되어 관측 시 요소를 '활성화' 위치로 회전시킵니다. EWA는 과학자들이 망원경에서 영상 모드와 분광 모드를 쉽게 전환할 수 있게 해줍니다.

WFI에서 더욱 중요한 것은 텔레다인 테크놀로지스에서 개발한 18개의 검출기를 갖춘 수은 카드뮴 텔루라이드 기반 초점면 배열(FPA)이다. 이 검출기들은 망원경 거울에 반사된 빛을 과학자들이 분석할 수 있는 전기 신호로 변환합니다. FPA는 0.28도 시야각과 0.11 아크초 해상도를 가지며, 18개의 검출기에 부착된 육각형 액추에이터 세트를 통해 반복적으로 초점 맞추고 보정할 수 있습니다.

로만은 WFI와 함께 세 가지 주요 조사를 수행할 예정인데, 고위도 광역 조사, 고위도 시간-영역 조사, 은하 융기 시간 영역 조사로, 망원경 5년 주요 임무의 약 75%를 차지합니다.

https://youtu.be/7h4_7tduA3c?si=Kyq-lQwUzXZYEWjo

두 번째 로마 기구는 코로나그래프 관측기(CGI)로, 0.575에서 0.825 마이크로미터 파장 범위의 더 집중된 관측을 통해 외계 행성을 모주 별을 공전하는 모습을 직접 촬영합니다. 미래의 코로나그래프 기기와 외계행성 임무의 기술 시연기로 사용되는 CGI는 이중 변형 가능한 거울을 통해 외계 행성의 모성에서 나오는 빛을 심각하게 억제하거나 '차단'함으로써 이 직접 영상 촬영이 가능합니다.

로만의 거울이 외계 행성을 가진 별계에서 빛을 CGI로 반사하면, 두 개의 변형 가능한 거울에 부착된 수천 개의 액추에이터가 외계 행성의 빛을 강조하기 위해 거울의 형태를 바꾸기 위해 움직인다. 거울의 형태가 변하면서 마스크가 모성의 별을 숨기고, 그 별을 도는 외계 행성을 드러냅니다. 이 과정에서 변형 가능한 거울의 형태 변화는 매우 정밀하여 DNA 가닥보다 작은 오차도 보정할 수 있으며, 임무 기간 동안 로만의 주 거울의 작은 결함과 변화를 보정하는 데도 사용될 것입니다. 전반적으로 CGI는 모성에서 0.15 아크초 거리의 외계 행성을 드러낼 것으로 예상됩니다.

이 두 도구를 사용해 로만은 여러 과학적 목표를 달성할 것으로 기대된다. 이 목표에는 중력이 약한 중력 렌즈를 통해 먼 은하의 빛을 어떻게 왜곡시키는지 측정하여 암흑 물질을 연구하는 것; 은하와 기타 천체물리학적 현상의 형태를 관찰하여 암흑 에너지가 시간에 따라 어떻게 진화했는지를 측정하는 것; 마이크로렌즈 촬영, 통과, 직접 영상을 통한 외계 행성을 발견하고 모니터링하는 것; 그리고 다양한 근적외선 천체물리학 실험과 관측을 수행했습니다.

https://youtu.be/_1zfz-OEKH8?si=SOsk9l3kd1jaX5bW

로만의 팔콘 헤비 발사

스페이스X의 팔콘 헤비는 2022년 7월 로만을 발사할 계약을 체결했다. 팔콘 헤비는 회수 구성에 따라 50,000kg에서 63,800kg의 페이로드를 저지구 궤도로 발사할 수 있는 초중량 발사체입니다. 부분적으로 재사용 가능한 발사체로, 두 개의 측면 부스터와 중앙 코어는 플로리다의 콘크리트 착륙장이나 대서양의 부유 드론선에 착륙할 수 있습니다. 팔콘 헤비는 높이 70m이며, 1단에는 27개의 머린 1D 엔진(각 부스터에 9개의 엔진)이 장착되어 있고, 2단에는 단일 머린 1D 진공 엔진이 장착되어 있습니다. 두 단계 모두 액체 산소(LOX)와 액체 등유(RP-1) 추진제를 사용합니다.

발사는 8월 30일 일요일 오전 7시 26분 EDT(11:26 UTC)에 플로리다 케네디 우주센터의 LC-39A에서 이루어졌습니다. 미 우주군 우주 발사 델타 45의 45기상 비행대는 처음에 일요일 발사 창에서 기상 조건 위반 확률을 50%로 예측했으나, 발사 몇 시간 전 30%로 개선되었다.

부스터 B1072는 세 번째 비행으로, 이전에 ViaSat-3 F3와 GOES-U Falcon Heavy를 지원한 후 이번 임무의 두 개의 부스터 중 하나로 사용되었습니다. 반대편 부스터인 B1104는 이번 임무에서 처음으로 비행했습니다. 부스터 엔진 차단(BECO) 및 분리 후, 부스터는 케이프 커내버럴 우주군 기지로 복귀했으며, B1072는 착륙 지점 2(LZ-2)에, B1104는 착륙 지점 40(LZ-40)에 착륙했습니다. 소모된 중심 코어는 부스터 B1105입니다.

발사 전 페이로드 페어링 캡슐화 중 로만. (출처: NASA)

LC-39A로 수평으로 출구한 후, 로만이 캡슐화된 팰컨 헤비는 수직 위치로 올려졌다. 발사 당일, 스페이스X 발사 책임자는 팔콘 헤비가 T-53분에 추진제 적재 준비 완료임을 확인했다. 스페이스X의 팔콘 계열 로켓은 초저온 추진제를 사용하며, 이 연료는 우주선에 실리면 빠르게 증발할 수 있어, 팀이 카운트다운 몇 시간 전이 아닌 마지막 한 시간 이내에 추진제를 적재해야 합니다.

T-50분에 RP-1을 중심 코어와 부스터에 적재하기 시작했고, 5분 후 T-45분에 LOX 적재가 시작되었다. T-35분에 2단 RP-1 장전이 시작되었다. 2단에 LOX 적재가 시작된 것은 T-18:30분이었다.

팔콘 헤비의 27개 1단 엔진은 T-7분에 엔진 냉각을 거쳐, 점화 시 열충격을 방지하는 절차를 진행했다. 팔콘 헤비의 비행 컴퓨터는 T-59초에 최종 사전 점검을 시작하라는 명령을 받았고, 발사 감독관은 T-45초에 최종 발사 허가를 내렸다. 로켓의 추진제 탱크는 T-20초에 비행을 위해 완전히 압력이 걸렸다.

마침내 T-6초 지점에 27기의 머린 1D 엔진이 점화되었고, 팔콘 헤비와 낸시 그레이스 로만 우주 망원경이 T0 지점에서 LC-39A에서 이륙했다.

팔콘 헤비와 로만은 8월 30일 발사 중 태양을 통과합니다. (출처: NSF의 맥스 에반스)

로만과 팔콘 헤비는 T+1분 08초에 최대 공기역학적 압력(MaxQ)을 경험했다. BECO는 T+2:24에 발생했고, 분리는 3초 후에 이루어졌다. 분리 직후 부스터는 180도 방향을 틀어 부스트백 연소를 시작해 케이프로 복귀했다. 한편, 중앙 코어의 주 엔진 차단(MECO)은 T+3분 51초에 이루어졌고, 3초 후 단계 분리가 이루어졌다.

T+4분 15초에 페어링이 분리되어 로만이 처음으로 우주 진공 상태에 노출되었다. 측면 부스터의 진입 연소는 T+6분 19초에 시작되었습니다. 부스터의 착륙 연소는 T+7:23분에 점화되었고, 부스터는 T+7:40분에 성공적으로 착륙했습니다.

2단은 T+8:28분에 엔진을 처음으로 정지한 후 16분간 관성 주행을 했습니다. 엔진은 T+24:33에 마지막으로 점화되었고, T+26:32분에 꺼졌다. 로만은 결국 T+31분 31초에 팔콘 헤비에서 출격하여 L2로 향하는 수개월간의 여정을 시작했다.

배치 직후, 로마 팀은 망원경과의 통신을 시도할 것입니다. 그리고 몇 시간 후에는 망원경의 태양광 패널과 기타 지원 시스템을 배치하기 시작할 것입니다.

(주요 이미지: 팔콘 헤비가 8월 30일 낸시 그레이스 로만 우주 망원경을 발사합니다. 출처: NSF의 소여 로젠스타인)

스페이스 클럽(Space Club)