Development of a Diagnostic Coronagraph for Use on the International Space Station

Yeon-Han KIM, Kyungsuk CHO, Seonghwan CHOI, Su-Chan BONG and Coronagraph Team

The Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI), in collaboration with the NASA Goddard Space Flight Center (GSFC), has been developing a diagnostic coronagraph to be deployed in 2023 on the International Space Station (ISS). The mission is known as “Coronal Diagnostic Experiment (CODEX)”, which is designed to obtain simultaneous measurements of the electron density, temperature, and velocity in the 2.5- to 10-Rs range by using multiple filters. The coronagraph will be installed and operated on the ISS to understand the physical conditions in the solar wind acceleration region and to enable and validate the next generation space weather models.

들어가며

태양코로나그래프는 우리가 보는 태양빛의 대부분을 방출하는 태양광구 즉, 태양원반을 인공적으로 가리고 상대적으로 어두운 태양코로나를 관측함으로써 코로나의 물리량과 특성을 알아내는 장치이다. 태양코로나는 개기일식을 통해 18세기에 이미 존재가 알려져 있었고 19세기 초 코로나라는 이름으로 불렸다. 그 후 개기일식 관측을 통해 태양 활동 주기에 따라 코로나의 모양과 크기가 변함을 알게 되었다. 1930년대에 프랑스의 천문학자 Bernard Lyot에 의해 코로나그래프가 고안되어 일식이 없을 때에도 코로나를 관측할 수 있게 되었다. 그 동안 코로나그래프는 특히 지구 주변 우주환경에 지대한 영향을 주는 코로나질량방출의 관측에 큰 기여를 하였다. 대표적인 우주기반의 코로나그래프로 SOHO/LASCO 코로나그래프와 STEREO 탐사선에 장착된 코로나그래프를 들 수 있는데, 각각 25년 또는 15년 이상 되어 후속 코로나그래프 개발이 시급하다.

이 글에서는 한국천문연구원이 NASA Goddard Space Flight Center (GSFC)와 공동으로 개발하고 있는 새로운 코로나그래프에 대하여 기술하였다.

서 론

Fig. 1. Solar corona observed at total eclipse occurred on March 29, 2006.(출처: 한국천문연구원 제공)

태양코로나는 태양의 가장 바깥 쪽 대기로 태양과 태양풍이 쓸고 지나가는 행성 간 공간을 이어주는 물리적 영역으로 그 모양이 왕관과 비슷한 모습을 하고 있고 코로나라는 이름이 붙여졌다. 태양코로나의 어원은 현재 전 인류가 고통을 받고 있는 코로나 바이러스와 같은 어원으로 왕관이나 광륜(무리)을 뜻하는 라틴어 코로나에서 유래하였다. 태양코로나는 태양빛의 대부분을 방출하는 태양광구에 비해 백만 배나 어둡기 때문에 평소에는 관측이 어려우며 태양이 달에 가려지는 개기일식을 통해 관측하거나 인공적으로 태양원반을 가리는 코로나그래프를 활용하여 관측할 수 있다. 코로나의 밝기는 지구 대기의 산란광과 비슷한 수준이므로 일반적으로 코로나그래프는 대기밀도가 낮아 산란광의 영향이 상대적으로 적은 높은 산이나 지구대기를 벗어난 우주에 설치하는 것이 유리하다. 전통적으로 코로나그래프는 광구에서 방출되는 태양빛이 코로나의 자유전자들에 의해 산란된 연속선을 관측하여 코로나의 구조와 밀도를 결정하였다. 그리하여 지금까지 알려진 코로나의 여러 구조들과 코로나질량방출을 발견하고 그 특성을 연구하는데 기여하였다. 현재 가장 활발하게 활용되는 우주기반 코로나그래프의 하나는 SOHO 위성에 장착된 LASCO 코로나그래프로 1995년부터 25년 이상 운영되고 있다. 또한 STEREO 쌍둥이 탐사선에 장착된 코로나그래프는 2006년부터 15년 이상 운영되었으며 두 탐사선 중 STEREO B 탐사선은 현재 기능을 하지 못하고 있다. 이들 우주기반 코로나그래프는 운영기간 동안 태양-지구 간 우주환경에 결정적인 영향을 주는 태양 분출 현상(특히, 코로나질량방출)을 연속적으로 실시간으로 관측하는데 크게 기여하였다. 그러나 현재 운영된 지 25년, 15년 이상 된 매우 오래된 관측기이기 때문에 머지않아 운영이 중지될 것으로 예상된다.

이렇듯 새로운 우주기반 코로나그래프 개발이 시급한 상황에서 2013년 NASA는 기존 설비, 전원, 통신 등의 인프라를 그대로 활용하여 비용 절감은 물론 초기설치 후 성능개선이 용이한 국제우주정거장용 코로나그래프 개발을 제안하여 한국천문연구원에서는 그 동안 국제협력을 통한 우주기반 코로나그래프 개발을 위한 기획연구(2013년)와 선행연구(2014년)를 수행하였고 2016년부터 시작된 천문연-NASA 태양우주환경 분야 워킹그룹에서 협의를 거쳐 2017년부터 ‘국제우주정거장용 태양코로나그래프 개발’을 시작하게 되었다.

차세대 코로나그래프의 특징

Fig. 2. (Left) Coronal brightness distribution along the distance from the solar surface. (Right) Electron number density of K-corona along the distance. (출처: 네이버 천문학백과사전 표제어 “코로나”)

한국천문연구원이 NASA GSFC와 공동으로 개발하고 있는 새로운 코로나그래프는 기존의 코로나그래프와 다른 특징이 있다.

첫째, 코로나의 밀도뿐만 아니라 온도와 속도를 동시에 측정할 수 있다. 기존의 코로나그래프가 백색광 영상자료만을 제공하는 것에 비해 여러 파장에서 동시 관측이 가능하도록 설계하면, 코로나 지역의 밀도, 온도 및 속도를 상시 관측할 수 있다.1) 광구에서 방출되는 370‒450 nm 사이의 스펙트럼에는 프라운호퍼 흡수선 G, H, K 등 많은 흡수선들이 있는데 이 흡수선들은 코로나의 전자에 의해 산란되면서 열적 운동에 의한 선폭증가와 방출속도에 따른 도플러 변이를 겪게 된다. 선폭증가 정도는 코로나 전자의 온도가 증가할수록 커지며 이에 따라 [그림 3]에서 보는 바와 같이 강한 흡수선 중심부에서는 밝기가 증가하고 주변부에서는 밝기가 감소하는 현상이 나타난다. 이를 이용해 강한 흡수선의 중심부와 주변부 사이 밝기 비를 측정하면 코로나의 온도를 추정할 수 있다. 또한 코로나 전자가 광구로부터 멀어지는 방출속도가 증가할수록 도플러 변이가 증가하면서 흡수선 중심부와 주변부 사이의 파장에 따른 밝기 변화가 비교적 큰 곳에서는 동일한 파장에서 밝기가 증가하거나 감소하는 현상이 발생한다. 이를 이용해 파장에 따라 밝기가 빠르게 증가하는 곳과 빠르게 감소하는 곳의 밝기 비를 측정하면 코로나의 방출속도를 추정할 수 있다. 이러한 방법은 Cram(1976)3)이 처음으로 제안하였고, Ichimoto 등(1996)4)과 Reginald 등(2003)5)이 개기일식 관측자료 분석에 적용하였다. 우리는 이러한 방법을 새로운 코로나그래프에 적용하여 온도에 민감한 파장과 속도에 민감한 파장을 선택하여 필터관측을 수행함으로써 온도와 속도를 결정(Passband Ratio Imaging, PRI)하도록 하였다.

Fig. 3. K-corona spectrum and its temperature and velocity dependence. Based on these characteristics of K-corona spectrum, we can estimate the temperature and velocity of electrons in the corona.2)

둘째, 코로나의 편광관측을 위해 편광필터와 편광 휠을 사용하지 않고 카메라 센서의 각 픽셀에서 여러 편광성분을 동시에 관측하는 픽셀분리형 편광카메라를 사용한다. 코로나 관측에서 편광관측은 필수적이다. 가시광에서 보이는 코로나는 발광기작에 따라 K-코로나, F-코로나, E-코로나로 나눌 수 있다. K-코로나는 가시광선이 전자에 의해 산란된 것이고, F-코로나는 황도면 상의 먼지에 의해 산란된 것이다. K-코로나는 강한 편광을 보이며 F-코로나는 편광되어 있지 않다고 알려져 있다. E-코로나는 고도로 이온화된 중원소가 내는 특정한 방출선으로 관측되는 것으로 K-코로나, F-코로나에 비하여 약하다. 그 중에서 코로나를 구성하는 전자에 의한 K-코로나가 중요한데, 관측되는 코로나에는 K-, F-코로나가 같이 섞여 있으므로 관측에서 F-코로나를 제거해야 한다. K-코로나와 F-코로나의 중요한 차이가 편광의 유무이므로 관측된 코로나에서 F-코로나를 제거하기 위해서는 편광관측을 수행해야 한다.

새로운 코로나그래프는 기존에 사용하던 편광필터를 장착한 편광 휠을 사용하지 않는다. 대신 픽셀분리형 편광카메라를 사용하는데, 원리는 하나의 수퍼픽셀(원래 센서의 4개 픽셀을 묶어 하나의 수퍼픽셀이라고 부른다)에서 4가지 편광성분을 동시에 측정하고 이를 각각의 편광영상으로 저장하여 분석에 활용하게 된다. 이렇게 되면 편광 휠을 사용할 때보다 시간적으로 동시성이 확보되므로 더욱 정확한 편광정보를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 편광 휠이 없어도 되기 때문에 시스템이 훨씬 간단하게 되어 시스템 설계에 있어서 전체적인 단순성을 이룰 수 있고 안정성을 높일 수 있게 된다. 국제우주정거장에 올리기 전, 고고도 벌룬실험(BITSE)을 수행하였는데, 이 실험에서는 픽셀분리형 편광카메라를 천문연구원에서 직접 개발하였다. 먼저 CCD 카메라를 개발하고 CCD 센서에 정밀하게 제작된 편광어레이를 부착하는 방식이다. 고고도 벌룬 실험 이후에 픽셀분리형 편광센서의 상용제품이 개발되었다. 우주용 목적으로 개발된 센서가 아니지만 진공 시험과 방사선 시험을 거쳐 우주 미션에 활용하기 위한 검증을 자체적으로 수행하였으며, 최종적으로 CODEX 편광카메라의 센서로 선정하여 현재 순조롭게 개발을 수행하고 있다.

국제우주정거장용 태양코로나그래프 개발

Fig. 4. Timeline toward the next generation coronagraph. Eclipse observation (DICE) and balloon experiment (BITSE) were performed for the demonstration and validation of the coronagraph technology before launch of the ISS coronagraph (CODEX).6)

한국천문연구원과 NASA GSFC는 위에서 기술한 것과 같이 기존의 코로나그래프와 구별되는 새로운 코로나그래프를 공동으로 개발하여 국제우주정거장에서 운영할 계획이다. 개발하고 있는 코로나그래프가 관측을 목표로 하고 있는 태양 반경의 2.5‒10배에 이르는 영역은 태양 근처에서 태양풍의 가속이 일어나는 물리적으로 중요한 영역이다. 지금까지 해당 영역에 대한 밀도, 온도, 속도의 동시 관측은 거의 이루어지지 않았다. 2023년 말 경에 설치 운영될 국제우주정거장용 태양코로나그래프(CODEX)는 해당 영역에 대한 체계적인 관측자료를 6개월에서 2년에 걸쳐 제공할 수 있을 것이다. 현재 우주에서 활발히 관측을 수행하고 있는 NASA의 파커솔라프로브(Parker Solar Probe)나 유럽우주청의 솔라오비터(Solar Orbiter)의 자료와 공동분석을 통해 태양코로나와 태양풍의 특성을 이해하는데 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

코로나그래프의 개발은 3단계로 진행되었다. 먼저, 2017년 개기일식 관측을 통하여 코로나의 온도와 속도를 동시에 결정하는 관측기술을 검증하였다. 다음으로 새로운 코로나그래프의 기술준비단계(technology readiness level, TRL)를 높이기 위해 고고도 벌룬 실험(BITSE)을 2019년에 수행하였다. 마지막으로 코로나그래프(CODEX)를 국제우주정거장에 2023년에 설치 운영함으로써 2.5‒10 태양 반경 코로나 영역의 밀도, 속도, 온도의 2차원 영상을 6개월 이상 태양우주환경 커뮤니티에 제공한다. 개발을 수행함에 있어서 NASA와 한국천문연구원은 공동으로 코로나그래프를 설계, 제작 및 성능시험을 수행하는데, 특히 NASA는 코로나그래프의 광학계와 기계부를 설계, 제작, 품질관리하고, 필요한 엔지니어링 설비와 서비스를 제공한다. 한국천문연구원은 필터 휠, 필터, 메인 전자부, 카메라, 지상 및 비행 소프트웨어를 개발한다.

1. 개기일식을 통한 온도, 속도 결정 방법 검증

Fig. 5. (Upper) Coronal continuum intensity and electron temperature map. (Lower) Layout of DICE instrument.6)

2017년 8월 21일 약 90분에 걸쳐 미대륙을 관통한 개기일식은 거의 100년만에 미국 대륙을 관통한 사건으로 많은 대중의 관심을 불러 일으켰다. 과학적으로는 개기일식 관측을 통해 아인슈타인의 이론을 검증한 이래 약 100년만의 개기일식이기도 하여 많은 이벤트가 준비되고 실행된 개기일식이기도 하다. 한국천문연구원의 코로나그래프 개발 팀은 두 개의 동일한 광학계를 하나의 마운트에 장착한 일식 관측시스템(Diagnostic Coronal Experiment, DICE)을 만들었다.[그림 5] 개발 팀은 와이오밍주 잭슨(Jackson)에서 약 140초의 제한된 시간 동안 관측을 수행하였고, 4개의 다른 파장에서 편광자료를 성공적으로 얻었다. 개발 팀은 그림에서와 같이 동쪽(그림 왼쪽)과 북극(그림 위쪽) 지역에서 온도분포를 결정하였고, 스트리머(밝은 부분)에서 온도가 높고 스트리머와 코로나 홀(어두운 부분)의 경계에서 온도가 낮음을 발견하여 코로나의 온도와 속도 측정기술을 성공적으로 검증하였다.7)

2. 고고도 벌룬 실험을 통한 코로나그래프 기술 검증

Fig. 6. (a) BITSE for a sun-pointing test on the ground, (b) BITSE at the float altitude. Filter ratio maps for temperature (c) and speed (d).6)

KASI와 NASA는 국제우주정거장용 태양코로나그래프 개발에 있어서 기술검증을 위한 고고도 벌룬실험을 앞서 수행하기로 하였다. 설계, 제작, 발사에 이르기까지 약 2년의 개발 기간을 거쳐서 2019년 9월 18일 NASA의 벌룬 발사를 담당하고 있는 Colombia Scientific Balloon Facility (CSBF)의 발사장 중 한 곳인 미국 뉴멕시코 주 포트섬너(Fort Sumner) 발사장에서 실험이 수행되었다. 발사 2.5시간 후 40킬로미터 고도에 도달하였고 약 5시간의 비행을 통하여 태양코로나를 성공적으로 관측하여, 4개의 각 필터별로 약 4,200장의 영상을 획득하였다. [그림 6]은 Wallops Flight Facility에서 코로나그래프가 곤돌라, 포인팅시스템과 조립된 모습과 40킬로미터 고도에서 관측하는 모습, 그 아래는 BITSE 실험을 통해 얻은 온도와 속도에 대한 필터비 영상이며 이로부터 우리는 코로나 스트리머 지역의 온도와 속도 값을 구하였다.

NASA와 한국천문연구원의 코로나그래프 개발 팀은 BITSE 실험을 통하여 온도, 속도 결정을 위한 필터시스템과 편광카메라의 기술적인 타당성을 검증하였다.8)

3. 국제우주정거장용 태양코로나그래프 개발

Fig. 7. (Upper) Installation site of CODEX on the ISS. (Lower) Payload layout and CODEX configuration.6)

국제우주정거장용 태양코로나그래프는 기본적으로 편광카메라를 사용하고 PRI 방법을 통해 코로나의 온도, 속도를 결정하는 등 앞선 벌룬 실험과 유사한 방식을 따르고 있지만, 본질적으로 400킬로미터 고도의 우주공간에서 운영한다는 점에서 큰 차이가 있다. 상대적으로 안정적인 지구대기 중의 성층권 높이에서 이루어진 벌룬 실험에 비해, 발사 시의 진동환경을 견뎌야 하고, 우주방사선에 대한 내성을 가져야 한다는 점, 그리고 국제우주정거장 설비와의 인터페이스 문제 등이 충분히 고려되어 설계 및 제작이 이루어져야 한다.

국제우주정거장용 태양코로나그래프(CODEX)의 개발에서 BITSE와 유사하게 한국천문연구원은 필터, 필터휠 어셈블리, 편광카메라, 코로나그래프 제어 시스템과 비행 소프트웨어, 지상 운영 소프트웨어의 개발을 담당하고 있다. GSFC에서는 광학계, 기계부와 포인팅시스템, 국제우주정거장 인터페이스, 발사 및 운영을 담당하고 있다.

CODEX는 BITSE에 비해 보다 엄밀한 우주미션이기 때문에 일정과 관련된 주요 마일스톤의 관리가 엄격하고 개발과정에서 생성되는 각종 문서의 관리를 철저하게 할 것을 요구받고 있다. 현재 2021년 9월 중순으로 예정된 상세설계검토(CDR)를 위한 준비에 여념이 없으며 이미 수 개월째 설계를 확정하기 위한 공학모델의 개발과 환경실험을 수행해 오고 있다. CDR에서 상세설계가 승인되면, 비행모델 개발을 수행하여 2022년 상반기에 통합 조립, 환경시험 및 캘리브레이션 작업이 시작된다. 이후 포인팅시스템 조립 및 테스트, 발사장에서의 조립 및 테스트를 거쳐 2023년 10월 발사 및 국제우주정거장 설치를 목표로 하고 있다. 설치 후에는 약 3주간의 테스트를 거쳐 정상운영에 들어가게 되며 최소 6개월에서 2년 동안 운영되어 코로나의 온도와 속도 정보를 태양우주환경 커뮤니티에 제공하게 될 것이다.

맺음말

한국천문연구원이 NASA GSFC와 공동으로 개발하고 있는 차세대 코로나그래프가 성공적으로 개발이 마무리되어 관측을 수행하게 되면, 2.5‒10 태양 반경의 코로나 지역에서 온도 속도, 밀도의 2차원 지도를 얻을 수 있다. 이로부터 우리는 광구에 비해 높은 온도를 갖는 태양코로나의 물리적 성질을 이해하고 태양풍 가속에 대한 중요한 실마리를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.