NASA의 낸시 그레이스 로먼 우주망원경이 우주 최초의 '능동형 코로나그래프(active coronagraph)'를 탑재하여 외계 행성을 직접 촬영할 준비를 마쳤습니다. 형태 변형이 가능한 거울을 이용해 항성의 강한 빛을 노이즈 캔슐링 헤드폰처럼 상쇄시키는 이 기술은 인류가 태양계와 유사한 외계 행성과 궁극적으로 '제2의 지구'를 발견하고 촬영할 수 있는 기반을 마련합니다.
번역된 본문
NASA의 낸시 그레이스 로먼 우주망원경(Nancy Grace Roman Space Telescope)이 다음 달 말쯤 발사될 예정이며, 천문학 역사상 가장 정밀한 '사라지기 마술'을 시도할 것입니다. 이 망원경은 우주로 발사되는 최초의 '능동형 코로나그래프(active coronagraph)'를 싣고 갑니다. 이 기기는 사진 촬영 중에 항성으로부터 나오는 대부분의 빛을 효과적으로 지워버리는 장치입니다. 이를 통해 천문학자들은 우리 태양계의 행성들과 유사한 외계 행성(다른 항성을 돌고 있는 행성)의 사진을 처음으로 촬영할 수 있게 됩니다. 궁극적으로 이는 지구와 같은 세계의 첫 사진을 촬영할 수 있는 미래 임무의 길을 열어줄 것입니다.
NASA 제트추진연구소(JPL)의 해당 기기 수석 기계 엔지니어인 브랜든 크리에이저(Brandon Creager)는 "이 망원경이 '지구 2.0(Earth 2.0)'을 찾는 데 있어 중요한 디딤돌로 기억되기를 바란다"고 말했습니다. NASA의 초대 천문학 국장이었던 낸시 그레이스 로먼의 이름을 딴 이 새로운 망원경은 약 3,000만 화소의 광시야 카메라를 탑재하고 있어, 허블 우주망원경이 촬영한 가장 넓은 화면과 비슷한 해상도면서도 약 100배 더 넓은 영역을 촬영할 수 있습니다. 이러한 성능은 천문학자들이 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체를 밝히고, 더 먼 별의 빛을 왜곡시키는 방식을 통해 존재를 추론할 수 있는 약 10만 개의 새로운 외계 행성을 탐지하는 데 도움을 줄 것입니다.
로먼 망원경의 경쟁률이 매우 높은 첫 해 관측 프로젝트 두 건을 선정받은 하버드대 연구원 하비에르 비아나(Javier Viaña)는 이러한 도약을 '소수의 사람들을 인터뷰하는 것'에서 '전 세계 인구 조사를 수행하는 것'으로 넘어가는 것에 비유했습니다. 또 다른 카메라는 코로나그래프를 사용하여 한 번에 하나의 항성계를 관측할 때 항성의 빛을 차단할 것입니다. 이 기기를 통해 천문학자들은 항성 주변의 우주 공간을 전례 없는 수준으로 들여다보고, 더 작고 어둡고 항성에 더 가까이 있는 외계 행성들을 볼 수 있게 됩니다. 크리에이저는 "우리에게 이전에는 물리적으로 볼 수 없었던 행성들을 볼 수 있는 능력을 주고 있다"고 말했습니다.
빛을 사라지게 하는 마술의 원리
우주에서 사용되는 코로나그래프 자체는 새로운 것이 아닙니다. 하지만 현재 허블과 제임스 웹 우주망원경에 탑재된 초기 버전들은 항성의 눈부신 빛을 차단하기 위해 고정된 시스템을 사용합니다. 이 접근 방식은 어느 정도 도움이 되지만, 어두운 방에서 반딧불을 찾기 위해 손전구 위에 엄지손가락을 올려놓는 것과 비슷합니다. 전구 itself는 보이지 않게 되지만, 새어 나온 흩어진 빛은 여전히 빠져나와 반딧불의 빛을 압도할 수 있습니다. 망원경 내부에서 이러한 눈부심은 기계 장치 가장자리 주변으로 새어나오는 빛이나, 반사경 및 코팅의 미세한 결함으로 인해 별빛이 반점으로 흩어지면서 발생할 수 있습니다. 이 모든 것이 행성을 숨기거나 심지어 행성인 것처럼 위장할 수 있습니다.
하지만 로먼 망원경의 코로나그래프는 올해까지 우주 망원경에서 시도되지 않았던 완전히 새로운 방식을 시도할 것입니다. 각 관측 전에 남아있는 잔여 빛을 측정하고 이를 억제하려고 시도하는데, 이를 '능동 파장 제어(active wavefront control)' 기술이라고 합니다. 이 망원경이 이런 작업을 수행할 수 있는 이유는 두 개의 변형 가능한 거울(deformable mirrors)이 포함되어 있기 때문입니다. 각 거울은 얇고 변형 가능한 유리판 아래에 48x48 체커보드 형태의 구동기(작은 피스톤)를 갖추고 있습니다. 작은 전압을 가하면 구동기가 수축하여 해당 거리 조각을 살짝 뒤로 당기는데, 이는 수천 개의 현미경 수준의 손가락이 표면을 섬세하게 조각하는 것과 같습니다. 그 효과는 매우 미세합니다. 각 거리 조각은 최대 0.5마이크로미터(대장균 박테리아 크기의 약 4분의 1)까지 변형될 수 있으며, 약 10피코미터 단위의 미세한 조절이 가능합니다. JPL의 기기 프로젝트 시스템 엔지니어인 일리야 포베레즈스키(Ilya Poberezhskiy)에 따르면, 이는 수소 원자 지름의 10분의 1 정도 크기입니다.
이 구동기들은 거울이 '능동 파장(active wavefront)'을 만들어내게 해주며, 여기서 각 구성 요소는 원치 않는 들어오는 빛의 파동을 상쇄시키기에 완벽한 위치로 이동하게 됩니다. 이는 소음이 아닌 빛을 위한 노이즈 캔슬링 헤드폰 쌍과 약간 비슷합니다. 포베레즈스키는 "'상쇄된' 빛은 항성 주변에 도넛 모양의 영역을 만들어내며, 우리는 이곳에서 별빛을 억제하고 외계 행성을 관찰할 수 있기를 희망한다"고 말했습니다. 현재의 우주 망원경과 비교했을 때...
EXECUTIVE SUMMARY When NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope launches, as early as the end of next month, it will attempt one of astronomy’s most precise disappearing acts to date. The telescope will carry the first space-bound “active” coronagraph, an instrument that effectively erases most of the light from a star during photography. It will allow astronomers to take the first pictures of planets orbiting other stars that are similar to those in our solar system. Ultimately, it could pave the way for a future mission that could snap the first photos of Earth-like worlds. “I hope it’s remembered for it being that critical stepping stone for … finding Earth 2.0,” says Brandon Creager, the instrument’s lead mechanical engineer at NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL). Named after Nancy Grace Roman, NASA’s first chief of astronomy, this new telescope will carry a roughly 300-megapixel wide-field camera that will enable it to capture images about 100 times larger than the Hubble Space Telescope’s widest exposures at a similar resolution. These capabilities will help astronomers unpack the mysterious identities of dark matter and dark energy—and to detect around 100,000 new exoplanets, planets outside our solar system, whose presence can be inferred from the way they distort the starlight of more distant stars. Javier Viaña, a research scientist at Harvard who has had two projects selected for Roman’s highly competitive first year of observing, compares the leap to moving from “interviewing a handful of people” to “conducting a global census.” Another camera will use the coronagraph, blocking out a star’s light as it observes one stellar system at a time. The instrument will allow astronomers an unprecedented look at the space around stars, enabling them to see smaller, dimmer, and more close-in exoplanets. “It’s giving us the ability to see planets that we haven’t been able to physically see before,” says Creager. The anatomy of a vanishing trick Coronagraphs in space aren’t new. But earlier incarnations, such as those currently aboard Hubble and the James Webb Space Telescope, use a stationary system to block a star’s blinding light. The approach does help, but it’s a bit like putting your thumb over a flashlight while searching a dark room for a firefly. Though the bulb vanishes, stray glare can still escape and overwhelm the light of the insect. Inside a telescope, that glare can come from light leaking around the edges of machinery or from minuscule imperfections in mirrors and coatings that can scatter starlight into speckles. All this can hide, or even impersonate, a planet. Roman’s coronagraph, however, will attempt something completely unseen in space telescopes until this year: Before each observation, it will measure that leftover light and try to suppress it, a technique known as active wavefront control. The telescope is able to do this because it contains two deformable mirrors. Each has a 48-by-48 checkerboard of actuators (tiny pistons) beneath a thin, deformable sheet of glass. Applying a small amount of voltage makes the actuators contract and tug their patches of mirror slightly backward, like thousands of microscopic fingers delicately sculpting a surface. The effect is very subtle: Each patch of mirror can deform by up to 0.5 micrometers, or about one-fourth the size of an E. coli bacterium, and in increments as small as approximately 10 picometers. That’s about a tenth the diameter of a hydrogen atom, says Ilya Poberezhskiy, the instrument’s project systems engineer at JPL. The actuators allow the mirrors to create an “active wavefront,” where each component is moved to the perfect position to cancel out incoming waves of unwanted light—a bit like a pair of noise-canceling headphones, but for light instead of sound. The “canceled-out” light creates a “doughnut-shaped region around the star where we suppress starlight and where we’re hoping to see exoplanets,” says Poberezhskiy. Compared with current space-based coronagraphs, the system is expected to improve sensitivity to exoplanets against the glare of their host stars by a factor of up to 1,000, revealing planets that would have been far too faint to detect before. Like Hubble and JWST, Roman also uses masks, patterned plates placed in the path of the light that are designed to block the photons that run into them. One tool in Roman’s mask arsenal is “silicon grass,” a thicket of microscopic spikes on some masks that can be used in certain configurations to absorb photons so they don’t bounce around the telescope and accidentally reach a detector. Light entering the forest bounces deeper and deeper between the blades and gets trapped instead of reflecting back toward the camera. “Once the light gets into there, it never gets out,” Poberezhskiy says. The mirrors and masks form a succession of gates and hedges to guide as much of the preserved planetary light as possible toward the final detector. Alien Jupiters This elaborate setup could open a new chapter in the direct imaging of exoplanets. Nearly all exoplanets photographed so far are oversize youngsters that are nothing like the residents of our solar system: several times the mass of Jupiter, still glowing with the heat left over from their birth, and orbiting tens or hundreds of times farther from their star than the Earth is from the sun. This is because they are relatively easy to see. Their size, warmth, and distance from their parent star makes them shine brightly in infrared light, far away from the worst of the stellar glare. Roman, however, could directly image a true Jupiter analogue—a planet similar to Jupiter in mass and circling a sunlike star a few times farther out than Earth is from our sun. Unlike the hot Jupiters we can see now, this one would be a much more mature gas giant like ours, primarily reflecting its parent star’s light after billions of years of cooling instead of heavily emitting its own. Astronomers have been able to infer the existence of such planets from the gravitational wobble they impart to the star. Roman instead will collect starlight reflected from the planet itself. “We’re not looking at the star. We’re not looking at the effect of the planet on the star,” says Meredith MacGregor, a professor of astronomy at Johns Hopkins who has also secured an observing program. “We are actually looking at the planet, and that is super powerful.” Once this instrument becomes available, it will become the scientists’ turn to do their jobs. “I'm honestly a little terrified about how we’re all going to deal with it, because I think it’s just so much data,” MacGregor says. “I think people will legitimately still be working on Roman data for decades.” But don’t expect to see a 4K photo of an alien Jupiter in the coming months. Roman will not be able to resolve such a planet into a solid globe—at best, it will likely resemble a smattering of pixels . Still, that will be enough, MacGregor says, as Roman can then use the coronagraph to get information on the various wavelengths of light from the planet, which can tell astronomers about its atmospheric chemistry. “You’re taking something that’s a point of light and turning it into an actual world,” she says, “because if you know that about its atmosphere, now you know something about the surface of the planet and the possibility of life being on that planet, right? So that’s a big step.” During its first observations, scientists and engineers will see whether they can hold a star at the very center of the coronagraph’s masks, shape the mirrors, “dig” the dark doughnut (as Poberezhskiy describes it), and then maintain everything as the spacecraft moves through space and actively changes temperature. The results will inform NASA’s proposed Habitable Worlds Observatory, the daydream of many an exoplanet astronomer, which will in theory be able to separate the light of an Earthlike planet from that of a sunlike star, over 10 billion times brighter. Creager,