두 임무의 성공적인 발사, 우주 연구의 새로운 장 열어 

NASA가 우주의 기원과 태양계의 비밀을 동시에 탐구하는 야심찬 우주 탐사 임무를 성공적으로 개시했다. 2025년 3월 11일 저녁 8시 10분(태평양 표준시), 밤하늘을 가르며 SpaceX 팔콘 9 로켓이 힘차게 발사되었다. 이 로켓에는 NASA의 최신 천체물리학 관측소인 SPHEREx와 태양 연구를 위한 PUNCH 위성 4대가 함께 탑재되었다. 이는 단일 로켓으로 두 개의 주요 과학 임무를 동시에 수행하는 NASA의 효율적인 접근 방식을 보여주는 좋은 사례로 평가받고 있다.

발사 후 약 53분이 지나 PUNCH 위성들이 성공적으로 분리되었으며, 지상관제소는 SPHEREx와 PUNCH의 모든 위성들과 통신을 확인했다. NASA 본부 과학임무국의 니키 폭스(Nicky Fox) 국장은 NASA 과학은 모두 상호 연결되어 있으며, SPHEREx와 PUNCH를 하나의 로켓에 탑재함으로써 우주에서 놀라운 과학 연구를 수행할 기회가 두 배로 늘어났다고 자부심을 표현했다. 

두 임무 모두 지구 저궤도의 태양동기궤도에서 운영되도록 설계되었다. 이 궤도는 태양동기궤도(Sun-synchronous orbit)를 넘어 낮과 밤의 경계선인 명암 경계선(Terminator)에 위치하여 태양이 항상 우주선에 대해 같은 위치에 머물도록 만들어 주는 궤도이다. 이는 SPHEREx가 망원경을 관측을 방해할 수 있는 태양의 빛과 열로부터 보호하고, PUNCH가 태양 주변의 모든 방향에서 명확한 시야를 확보하는 데 필수적이다.

SPHEREx: 우주의 기원과 생명의 근원을 찾아서

SPHEREx는 약 1개월간의 점검 기간을 거친 후 2년간의 주요 임무를 시작할 예정이다. 이 기간 동안 엔지니어와 과학자들이 우주선이 제대로 작동하는지 확인할 것이다. NASA 제트추진연구소(JPL)의 로리 레신(Laurie Leshin) 소장은 남부 캘리포니아 산불이 우리 지역사회를 휩쓸었음에도 불구하고 SPHEREx 팀이 이 임무를 계획대로 진행한 것은 인류의 우주 이해를 깊게 하려는 그들의 놀라운 헌신을 보여주는 증거라고 표현했다.

해당 미션은 온 역사를 통틀어서 꾸준히 다뤄지던 '우리는 어떻게 여기까지 왔는가?'와 '우리는 이 넓은 우주에서 과연 혼자일까?'와 같은 근원적이고 철학적인 질문들에 대한 직접적인 대답을 찾게 해줄 수 있는 미션이다. SPHEREx는 또한 가장 다채로운 전천 지도를 제작할 예정이다. SPHEREx 탐사선은 적외선 빛을 이용하여 우주를 관측하는데, 인간의 눈으로는 감지할 수 없는 해당 파장 범위는 별과 은하를 연구하는 데 이상적이다.

먼저 SPHEREx는 광범위한 과학적 목표를 달성하기 위해 6개월마다 전체 천구의 3D 지도를 작성할 예정이다. 구체적으로 SPHEREx 우주 망원경은 우주 탄생 직후 발생한 '인플레이션'이라는 우주 현상에 대해서 파헤칠 예정이다. 빅뱅 이후 1조 분의 1조 분의 1조 분의 1초라는 믿기 힘든 짧은 시간 동안, 우주는 그 크기가 1조의 1조 배로 급격히 팽창했다. 이는 현재 관측되는 은하들의 대규모 분포 패턴에서 힌트를 얻을 수 있는데 (혹은 반대로 수억 개의 은하들의 3D 위치를 차트로 작성하여 인플레이션이 오늘날 우주의 대규모 구조에 어떻게 영향을 미쳤는지 연구할 수 있음) SPHEREx는 4억 5천만 개 이상의 은하 분포를 매핑함으로써 과학자들이 이 극단적인 우주 현상 배후에 어떠한 신비로움이 있는지 알아낼 예정이다. 

과학자들은 지금까지 개별 은하들을 관측하고 우주에 존재하는 수조 개의 은하로 추정치를 확장하는 방식으로 우주 역사 전반에 걸친 모든 은하의 총 빛의 양을 추정하려 시도해왔다. SPHEREx 우주 망원경은 다른 망원경으로는 쉽게 감지할 수 없는 너무 작거나, 너무 확산되어 있거나, 너무 멀리 있는 은하들을 포함하여 이를 측정할 예정이다. 즉, 지금까지와는 다른 접근법을 취하여 모든 은하로부터 나오는 총 빛을 측정한다. 이러한 전체적인 빛의 측정과 다른 망원경들의 개별 은하 연구를 결합하면 과학자들은 우주의 모든 빛 원천에 대해서 더 완벽한 그림을 얻게 될 것이다.

해당 미션은 분광학을 이용하여 우주 물체의 구성을 밝힐 수 있다. 우리가 알고 있는 생명은 물과 이산화탄소 같은 기본 구성 요소 없이는 존재할 수 없는데, SPHEREx 관측소는 별과 행성이 형성되는 성간 가스와 먼지 구름에 얼어붙은 이러한 분자들을 찾도록 설계되었다. 따라서 해당 임무는 우리 은하에서 이러한 얼음 화합물의 위치와 풍부함을 정확히 파악하여, 이런 물질들이 새롭게 형성되는 행성에 어떻게 쓰이는지 파헤칠 예정이다. 분광학이라는 기술을 사용하여, 이 망원경은 빛을 구성 색상(개별 파장)으로 분할할 수 있다. 이는 마치 프리즘이 태양빛으로부터 무지개를 만들어내는 것과 같으며, 이를 통해 우주 물체까지의 거리를 측정하고 그들의 구성에 대해 알아낼 수 있다. SPHEREx의 분광학적 지도를 통해 과학자들은 우리 은하에서 물 얼음과 같은 화학 화합물의 증거를 탐지할 수 있을 것이다. 그들은 우주의 은하들이 방출하는 총 빛의 양을 측정할 뿐만 아니라, 우주 역사의 다른 시점에서 그 총 빛이 얼마나 밝았는지도 파악할 수 있을 것이다.

PUNCH: 태양의 비밀과 우주 날씨 현상 탐구

PUNCH 위성들은 이미 90일간의 시운전 기간을 시작했다. 이 기간 동안 네 개의 위성이 계획되었던 궤도 형성을 마치게 된다.

행성과 사이의 공간은 사실 텅 빈 공간이 아니다. 때때로 지구를 덮치는 난류성 태양풍 등으로 가득 차 있는데, PUNCH 임무는 우리의 태양과 같은 별들이 어떻게 항성풍을 생성하는지, 그리고 그것들이 어떻게 바로 이곳 지구에서 위험한 우주 날씨 현상을 일으키는지에 대한 기본적인 질문에 답하기 위해 설계되었다. 따라서, PUNCH는 태양계 내부와 태양의 외부 대기인 코로나에 대한 전 지구적, 3D 관측을 수행하여 태양의 질량과 에너지가 어떻게 모든 방향으로 태양으로부터 불어나가는 하전된 입자의 흐름 즉, 태양풍이 되는지 알아볼 수 있는 미션이다. 이 임무는 우주선과 우주비행사에게 위험을 초래할 수 있는 에너지 입자 방사선 폭풍을 일으킬 수 있는 코로나 질량 방출과 같은 우주 날씨 현상의 형성과 진화를 탐구할 것이다.

첨단 기술과 국제 협력으로 이루어진 우주 탐사

SPHEREx 임무는 NASA JPL이 관리하고 있는데, BAE 시스템즈(이전의 Ball Aerospace)가 망원경과 탐사선을 제작했다. SPHEREx 데이터의 과학적 분석은 미국에 위치한 10개 기관 (California Institute of Technology, Jet Propulsion Laboratory, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Arizona State University, Argonne National Laboratory, University of California Irvine, University of Arizona, Rochester Institute of Technology, Ohio State University, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory), 한국에 위치한 2개 기관 (천문연구원, 서울대), 그리고 대만에 위치한 1개 기관 (대만 아카데미아 시니카 천문학 및 천체 물리학 연구소)의 과학자들로 구성된 팀에 의해 수행된다. 

특히, 미국 외 기관으로는 한국천문연구원이 유일하게 공동 '개발'에 참여했다. 천문연구원은 2016년부터 스피어엑스 기획에 참여했는데, 이는 천문연구원이 독자적으로 개발한 근적외선 우주망원경(NISS) 기술력을 인정받았기에 가능했다. 천문연구원은 특히 위 미션에서 영하 220도의 우주 환경을 구현하는 극저온 진공 챔버를 개발했으며 우주망원경의 광학 및 분광 성능 테스트를 주도한 바 있다. 

우주 덕후라면 이미 눈치를 챘겠지만, 해당 탐사선의 모양은 매우 독특하게 생겼다. 원뿔 모양 디자인으로 냉각 유지 및 희미한 우주 물체를 관측하는 이 임무의 적외선 망원경과 검출기는 약 영하 210도 섭씨에서 작동해야 하는데, 부분적으로라도 그들이 자체적으로 적외선 빛을 생성하는 것을 방지하기 위함이다. 이러한 자체 빛과 열은 우주 원천으로부터의 희미한 빛을 순식간에 압도할 수 있기 때문이다. 따라서, 우주선의 설계와 운영 요구사항을 단순화하면서도 냉각 상태를 유지하기 위해, SPHEREx는 완전히 수동적인 냉각 시스템에 의존하고 있다. 즉, 정상 작동 중에는 전기나 냉각제가 사용되지 않는다. 이를 가능하게 하는 핵심은 망원경을 지구와 태양의 열로부터 보호하는 세 개의 원뿔 모양 광자 방패, 방패 아래의 장비로부터의 열을 우주로 내보내는 역할을 구조 등을 들 수 있다. 

해당 미션의 관측 자료는 칼텍의 IPAC에서 처리되고 보관될 것이며 SPHEREx 데이터셋은 NASA-IPAC 적외선 과학 아카이브에서 공개적으로 이용 가능할 예정이다. 

반면, PUNCH 임무는 콜로라도 볼더에 있는 사우스웨스트 연구소(SwRI)에 의해서 운영되고 있으며 텍사스 샌안토니오에 있는 본부에서 네 우주선과 광시야 이미저 장비를 제작했다. 나머지 장비는 워싱턴의 해군연구소에서 제작했다.