d라이브러리

 제이미 복 스피어x 연구책임자

한국천문연구원의 근적외선 영상분광기 NISS에서 전문성을 보아

“스피어x로 은하, 우주, 그리고 생명의 근원을 찾을 것”

※편집자 주

과학동아 5월호에는 내용을 정확하게 전달하기 위해 제임스 J 복(James Jamie Bock) 미국 캘리포니아공대 물리학과 교수 겸 미국항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL) 수석연구원 인터뷰 질문과 답변을 영문 그대로 실었습니다. 디라이브러리에는 독자의 이해를 돕고자 제임스 J 복 교수의 인터뷰 한국어 번역본을 함께 게재합니다.

과학동아는 스피어x(SPHEREx) 프로젝트를 이끌고 있는 제임스 J 복(James Jamie Bock) 미국 캘리포니아공대 물리학과 교수 겸 미국항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL) 수석연구원과 e메일 인터뷰를 진행했다. 그는 우주배경복사를 발견하기 위해 남극에 설치한 망원경 바이셉(BICEP) 프로젝트, 지상 40~50km의 성층권에 대형 무인 기구(balloon)를 띄우는 프로젝트, 유럽우주국(ESA)의 플랑크(Planck) 위성 프로젝트 등 그간 우주의 비밀을 밝혀낸 굵직한 국제 프로젝트를 전문가다.

Q. What is SPHEREx Project?

SPHEREx is NASA’s newest explorer satellite, selected from a competition between 3 mission studies in February 2019. SPHEREx will carry out three fundamental investigations about our universe, while collecting spectra at near-infrared wavelengths over the full sky.

Q. 스피어x 프로젝트란?

스피어x는 미국항공우주국(NASA)의 최신 탐사 위성으로 후보 셋과 경쟁을 벌인 끝에 2019년 2월 최종 선정됐다. 스피어x는 장차 우리 우주에 대한 3가지 근본적인 조사를 수행하는 동시에 근적외선 파장을 이용해 전체 우주에 대한 스펙트럼 정보를 수집할 예정이다.

Q. What is currently going on with the project?

Now one year after selection, we are in a detailed study phase that we hope to conclude by the end of the summer. This phase sets the design for the critical components, such as the telescope, detectors, cooling system, and spacecraft, and how they will fit together so we can proceed with construction.

After the study phase we will build the hardware, test the instrument, and then integrate with the spacecraft and launch vehicle. The criteria of an explorer satellite are that the budget is fixed from the beginning, so we will proceed with our schedule as quickly as possible. Prior to the COVID-19 pandemic creating unanticipated problems, we were planning to launch at the end of 2023, which is quite fast for a space project.

Q 현재 프로젝트 진행 상황은?

(NASA의) 임무로 선정되고 1년이 지난 지금, 우리는 여름까지 마무리할 계획으로 스피어x에 관한 상세 연구를 진행하고 있다. 구체적으로는 망원경, 검출기, 냉각 시스템, 우주선 등 주요 부품을 설계하고, 이들을 어떻게 결합할지 연구하는 단계다. 이 단계를 거쳐야 실제로 스피어x 제작을 시작할 수 있다.

현재 진행 중인 연구가 끝나면 하드웨어를 만들고 실험 장비를 테스트한 뒤 몸체에 달아 탐사선을 우주로 발사할 예정이다. 처음부터 예산이 정해져 있는 프로젝트이기 때문에 일정은 가능한 빨리 진행할 계획이다. 신종 코로나바이러스 감염병(COVID-19) 팬데믹이라는, 예상하지 못했던 문제가 발생하기 전에는 2023년 말 스피어x를 발사할 예정이었다. 이는 우주 프로젝트로서는 진행 속도가 매우 빠르다.

Q. Please tell us about the perspectives you launched this project.

SPHEREx is designed for three specialized science investigations. It will map out the distribution of galaxies in three dimensions using spectroscopy. This 3D map will probe the exotic physics thought to generate a rapid period of expansion called ‘inflation’ that is closely tied to the birth of our universe. Galaxies do not form in random places. Due to gravity, galaxies cluster together in regions where there is more matter, most of which is in a form called dark matter, that we infer from its gravitational influence.

We think the initial seeds for the variations in the abundance of matter came from the inflationary expansion itself. So the idea is if you can map out the matter variations using galaxies, you can not only learn about things the state of the universe today, you can also probe the properties of inflation.

This is a fundamental question because the process that drove the inflationary expansion does not appear to be within the realm of physics we currently understand. Inflation may occur at energy scales beyond the ‘standard model’ of particle physics, and beyond our reach with terrestrial particle accelerators. To learn more about inflation, right now the best way to study it is to measure the properties of the universe itself.

Q. 이 프로젝트를 계획한 이유는 무엇인가?

스피어x는 3가지의 전문적인 과학 연구를 위해 설계됐다. 먼저 분광법을 이용해 은하의 분포를 3차원(3D) 지도로 만들 계획이다. 이 3D 지도로 우리 우주의 탄생과 밀접한 관련이 있는 ‘급팽창 이론’에 대한 이론적인 연구를 한다.

은하는 아무 곳에서 임의로 형성되지 않는다. 중력 때문에 많은 물질이 모여 있는 곳에서 서로 뭉쳐지는데, 이 물질의 대부분은 암흑물질이다. 과학자들은 중력의 영향을 통해 간접적으로 암흑물질의 존재를 추론한다.

과학자들은 우주 물질의 변동을 일으킨 초기 요인은 급팽창, 그 자체에서 자발적으로 비롯된 것으로 여긴다. 그래서 은하계를 이용해 물질의 변화를 지도로 나타낼 수 있다면, 오늘날 우주뿐만 아니라 급팽창의 특징도 알 수 있다. 이런 급팽창은 입자물리학의 ‘표준모델’이나 지상의 입자가속기가 도달하지 못 하는 에너지 범위에서 발생한다. 그래서 급팽창을 연구하는 가장 좋은 방법은 우주 자체의 속성을 관측하고 조사하는 것이다.

Q. What is SPHEREx’s role in this context?

In our galaxy, SPHEREx will also measure the abundance of interstellar ices in the dense clouds where stars form. The water on earth that is so closely associated with life as we know it probably arrived in the form of ice from comets or asteroids. The ices found in our solar system probably began as ices that form on interstellar dust grains before stars themselves form. SPHEREx will measure the abundance of water ice, as well and some carbon-rich ices, in the early phases of star formation in a large comprehensive survey over the entire sky.

Finally SPHEREx will study the background glow of light that comes from galaxies. The background light is produced from all the galaxies that formed during the history of the universe. Measuring its spectrum can thus tell us about the cosmic history of galaxy formation, from galaxies we see today all the way back to the first galaxies that formed stars from primordial matter and that lit up for the first time.

Q. 스피어x의 역할은 무엇인가?

이런 맥락에서, 스피어x는 우리 은하에서 별이 형성되는 밀도 높은 구름 속에서 성간 얼음의 양을 측정할 계획이다. 모두가 알다시피 지구의 물은 생명과 매우 밀접한 관계가 있는데, 과학자들은 지구의 물이 혜성이나 소행성으로부터 왔다고 추정한다. 또 태양계에서 발견된 얼음은 성간 먼지에서 형성됐을 것으로 본다. 이에 스피어x는 전체 우주에서 항성이 생성되는 초기 단계를 조사해 얼음이 있는 천체를 찾을 예정이다.

스피어x는 은하에서 방출되는 빛도 연구한다. 이 빛은 우주가 생겨나면서 형성된 모든 은하에서 만들어진다. 따라서 이 빛을 측정하면 오늘날 우리가 관측할 수 있는 은하부터 원시 물질로 별을 형성한 최초의 은하까지 은하 형성과 관련된 우주의 역사를 알 수 있다.

Q. Any special issue or point you want us to know about?

In addition to these special investigations, SPHEREx will produce a spectrum for every pixel on the sky. We intend to make our data available to the public rapidly. We held a series of workshops with scientists from across many fields in astronomy, including astronomers from South Korea, and have been impressed by the many new ideas the community has developed to use the data.

Q. 스피어x 프로젝트의 특징이 있다면?

스피어x는 우주 전체의 스펙트럼을 생산할 예정이다. 그리고 이 데이터는 누구나 간편하게 이용할 수 있도록 공개될 것이다. 이를 위해 한국 천문학자들을 포함해 전 세계 천문학자들과 워크숍을 열었고, 공공 데이터를 이용하기 위해 이들이 개발한 다양한 아이디어에 깊은 인상을 받았다.

Q. There are total of 13 institutions participating in the project. And KASI is the only Korean institution among them. We wonder on what basis you decided to work with KASI.

Collaboration with KASI really goes back to Korean involvement in the near-infrared sounding rocket project I mentioned, named CIBER. My colleagues from KASI developed a ground station for reading out images collected by the experiment. CIBER also allowed us to work together and become familiar with each other. Along the way I learned about KASI’s expertise with two small infrared satellite projects, MIRIS and NISS.

Q. 프로젝트에 참여한 총 13개의 기관 중 한국천문연구원(KASI)은 미국 외 유일한 국제 기관이다. KASI와 협력하게 된 배경이 궁금하다.

한국천문연구원과의 협력은 한국 연구자들이 참여했던 근적외선 음향 로켓 프로젝트인 ‘CIBER’를 개발했던 때로 거슬러 올라간다. 당시 천문연 연구원들은 지상국을 통해 수집한 이미지를 판독하는 역할을 맡았다. 그 과정에서 한국 연구팀과 함께 일하며 서로 친해졌다. 이때 천문연이 수행한 적외선 위성 프로젝트인 ‘MIRIS’와 ‘NISS’도 알게 됐고, 천문연 연구원들의 전문성도 확인할 수 있었다.

Q. What is your perspective and the ultimate objectives throughout this project?

Our ultimate objectives are to advance our understanding of the universe and address in novel ways important questions such as the origin of the universe, the origin of galaxies, and the origin of life. These are all very important questions for astronomers, but also for humans in general. We thus hope to push the frontier of human knowledge. It is a privilege to be given such an opportunity by the US and Korean taxpayers through their respective space agencies, NASA and KASI.

Q. 스피어x의 궁극적인 목표는?

우주에 대한 이해를 높이고, 우주의 기원, 은하의 기원, 생명의 기원 등 중요한 질문을 새로운 방식으로 다루는 게 궁극적인 목표다. 이는 천문학자뿐만 아니라 일반인에게도 매우 중요한 일이다. 스피어x 프로젝트가 인류 지식의 경계를 허무는 데 기여하기를 바란다. 미국과 한국 국민이 각국의 우주연구기관인 미국항공우주국(NASA)과 한국천문연구원(KASI)을 통해 이런 기회를 얻게 되는 것은 특권이라고 생각한다.