목성의정체를밝혀라 NASA의 JUNO 미션 작성 : 한국항공우주연구원김은혁 ( 선임연구원) 목성은태양계 8개행성 2006년이전 9개였으나가장질량이작고크기도작은 행성이었던명왕성이행성지위에서강등된이후현재까지 8 개의행성이있음 중에 서가장중량이많이나가는행성이다. 목성의질량은지구의약 320배이며만약목 성의질량이현재값의약 70배이상이었다면태양계에는태양이외에또하나의별 여기서별은자체핵융합반응으로에너지를발생하는천체를의미함 을갖게되 었을것이다. 이러한상상은단지상상에그치지않고우리가살고있는은하계에는 이와같은쌍성계가무수히많이있다. 그림 1 JUNO 미션의개요: 탐사선형상, 탑재체요약등 목성은이와같이질량이태양계행성중에서 - 1 -
가장크다는이유만으로도충분히연구대상이다. 특히태양계행성을크게 2가지로 구분할때 지구와같이딱딱한표면을갖는지구형행성과목성과같이가스입자로 구성된목성형행성 목성형행성의대표이다. 목성을자세히연구하면유사한행성 들인토성, 천왕성, 해왕성에대한연구도가능하다. 미국 NASA를중심으로 1973년 Pioneer 10을시작으로목성연구가시작되었고 가장최근에는 Galileo (1995 ~ 2003) 탐사선이약 8년간 2달주기의고타원궤도로 목성주위를공전하며탐사를수행하였다. 최근에대중에게공개되는목성및목성의 위성에대한대부분의연구및사진자료는 Galileo 탐사선에의한것이다. 다만, Galileo 탐사선은목성뿐만아니라행성목성을구성하는다른천체 목성의위성 의연구를동시에수행하였기에공전궤도의장반경이매우커서목성자체를연구하 는데있어서는명확한한계를갖고있었다. 행성계로서의목성연구보다는목성자체의기원에관한연구를수행하기위해미 국 NASA는 2011년 8월새로운목성탐사선 JUNO (JUpiter Near-polar Orbiter) 를 발사하였다. 이름 JUNO는그리스-로마신화에서신들의제왕 Jupiter (or Zeus) 의아내 Juno (or Hera) 가남편이고의로만든구름의장막을통해서남편 Jupiter의행동을감시 하는것에기인한다. 즉, 탐사선 JUNO가매우두꺼운가스구름으로뒤덮인목성의대기 를통하여목성탄생및기원을연구한다는의미를갖는다. JUNO 의개발, 발사, 운영에 는미화약 11 억달러가소요되었다. JUNO는약 5년간의우주비행을마치고올해 7 월초 (7월 5 일) 에목성에접근하고이후목성 의중력장에포획되어서탐사임무를수행할예 정이다. 발사 2년후인 2013년 10월경에지구 에접근하여 ( 지표면에서약 560km 까지접근함) 지구중력장의도움으로가속을하였다. 게된속도이득값은약 발사체 이때얻 3.9km/s인데이값을 Atlas V 551의추력과비교하면전체발 사체추력의약 70% 에해당한다. 즉, 지구중력 의도움으로그만큼의연료를절약할수있었다 는의미이다. 그림 2에 JUNO의우주비행궤적 과지구중력장의도움을받은시점이표시되었 다. 그림 3은 Earth fly-by를위해 JUNO가지 구에접근하는궤적을지구의위와옆에서관측 한모습이다. JUNO는밤시간에아프리카대륙그림 2 JUNO의우주비행궤적 - 2 -
남쪽을지나면서지구중력장의도움으로가속하였다. 목성탐사선 JUNO 는몇가지측면에서심우주탐사선으로서예외적이다. 이중가장 주목할만한것은매우큰면적을갖는태양전지판이다. JUNO의태양전지판구조는한 국의아리랑위성 3 호 ( 혹은다목적실용위성 3 호) 와유사하다. 다만, 태양전지판의면적 이매우크다. JUNO에설치된태양전지판의크기는 2.7 x 8.9m 2 로서 NASA에서개발한 심우주탐사선에설치된태양전지판중에서가장큰규모를갖는다 ( 참고로아리랑 3호에설 치된태양전지판과비교하면 JUNO에설치된태양전지판은약 11 배크기임). 이렇게큰태양전지판을 JUNO 에설치한이유는매우단순하다. 미국 NASA는그동안목성궤도이상의심우주 탐사선에는핵연료를탑재한 전력을생산하였다. 하였다. RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) 를이용하여 그리고주연료로서플루토늄을사용하였고대부분러시아에서수입 그런데최근에러시아에서의플루토늄수입이원활하게이루지어지않았고또한 핵연료탑재탐사선발사에수반된위험에대한일반대중의우려가큰점도고려하였다. 그리고, 태양에서목성까지의거리가태양에서지구사이거리의약 5배이상이므로목성 궤도에서받게되는태양빛의양 은지구궤도에서받게되는값의 약 그림 3 목성탐사선 JUNO의 Earth fly-by 시의궤적 ( 왼쪽: 위에서본모습, 오른쪽: 옆에서본모습) 4% 수준이므로탐사선을유 지하고탑재체를운영하여탐사 를수행하기위한전원을공급받 기위하여매우큰태양전지판이 필요하였다. 다만이러한크기의 태양전지판은무게만도 340kg에 달하여전체탐사선의중량증가 에큰몫을하였다. JUNO는설 치된태양전지판을이용하여약 450W 의전력을생산하며임무를 그림 4 JUNO의임무예정궤도 - 3 -
수행할예정이다 ( 비교하여아리랑 3호는설치된태양전지판을이용하여약 1,400W 의전력을생산함). 목성근처에다다른후 되며임무수행을위하여공전주기약 JUNO는적당한역추진분사를통하여목성의중력장에포획 14일의목성의북극과남극을공전하는고타 원궤도 ( 목성최근접거리는약 4,300km 임) 를갖게될예정이다 ( 그림 4 참조). 그 러면 JUNO는약 1년의임무기간동안 37 회목성주위를공전한다. 비록목성표면 에서약 4,300km까지접근하나대부분의기간동안에는목성에서상당히먼거리에서 임무를수행하므로목성에서발생되는강한복사 이러한복사는탐사선과탑재체의 성능에심각한영향을미침 로부터최소한으로영향받게된다. 실제로탐사선 JUNO 는탑재체전자부의보호를위해약티타늄으로만들어진 다. 1cm 두께의차페벽을갖고있 JUNO 미션의성공을통하여미국 NASA 는다음의과학적목적을이루고자한다. 1) 목성생성의기원 2) 목성에있는물, 산소의양 3) 목성의내부구조 ( 지구처럼고체코어존재유무) 4) 5) 목성의전반적인자전양상 목성의매우강한자기장생성기원 6) 목성대기의현상과목성내부구조의상호관계 ( 대적점등) 7) 목성극지방의형태 이러한목적을달성하기위해서 JUNO 탐사선에는 9 개의탑재체가탑재되었다 ( 표 1 참 조). 9개의탑재체는다양한목적을갖고있으며임무완수후인류는목성의기원에대 한이해의깊이를더욱깊게할수있을것으로기대된다. 표 1 탐사선 JUNO의과학탑재체와과학임무 탑재체명 ( 약어) 임무및과학목적 Microwave Radiometer (MWR) 전파를이용하여목성대기 ( 대기압약 1,000) 의내부를조사함. Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM) 적외선영역에서목성대기최상층부에서약촬영수행 60km 아래지역의사진 Magnetometer (MAG) 매우강한세기를갖는목성주위자기장의 3차원지도작성 Gravity Science (GS) Jovian Auroral Distribution Experiment (JADE) 목성의중력장연구를통하여내부구조를파악함 목성오로라를발생시키는입자의특징및과정을연구함 - 4 -
Jovian Energetic Particle Detector Instrument (JEDI) Radio and Plasma Wave Sensor (Waves) Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVS) JunoCam (JCM) 목성에서의고에너지입자의특성및이들이목성의자기장과상호작용하는세부적인내용조사함 목성의자기장 ( 구조및세기등) 을이해하기위하여전파및플라즈마를관측함 자외선영역에서목성오로라의분광영상을촬영함 목성대기최상층부의천연색영상촬영 탐사선 JUNO는 1년의임무기간이종료된이후적절한제어를통하여목성과충돌 할예정이다. 아마도매우강한목성의복사에의해탐사선본체와탑재체의기능이 지속적으로저하될것이다. 다만, 1년의임무기간동안특별한어려움없이탐사선 이작동을하여목성의기원, 를기대한다. 더나아가서태양계행성에대한많은비밀이해결되기 이글은아래의누리집과자료에기반하여작성되었다. JUNO Mission: Wikipedia, the free encyclopedia JUNO Mission Profile: JUNO Launch Press-Kit/August 2011, NASA Earth fly-by: http://www.nasa.gov/mission_pages/juno/earthflyby.html#.vhxfjnpviko Juno Payloads: Dodge, Boyles, & Rasbach, Key and Driving Requirements for the Juno Payload Suite of Instruments, JPL, Feb. 23, 2011-5 -