NASA의 낸시 그레이스 로마 우주 망원경의 광학 엔지니어링 및 검증

광학 기술자가 NASA의 낸시 그레이스 로마 우주 망원경의 주 거울과 보조 거울 사이에 매달린 다이빙 보드 위에 누워 있습니다. 사진은 망원경의 광학 경로를 통해 투영된 반사입니다. 기술자는 광시야 기기의 미래 위치를 향해 광학 시스템을 통해 빛의 광선을 비춰 임무가 시작되면 우주 광원의 빛이 망원경을 통해 어떻게 이동하는지 보여줍니다. (이미지 :NASA / Chris Gunn)

2027년 5월 이전에 발사되면 미국 항공 우주국(NASA)의 낸시 그레이스 로마 우주 망원경은 심우주에 대한 강력한 눈 역할을 하여 수십억 개의 먼 은하의 이미지를 포착하고 암흑 물질, 초신성 및 기타 우주 현상의 신비를 탐구할 것입니다.

낸시 그레이스 로마 우주 망원경의 주요 목적은 일반(중입자) 물질과 암흑 물질의 분포를 매핑하고 암흑 에너지를 조사하기 위해 다양한 시대의 우주 팽창 속도를 매핑하기 위해 높은 정밀도로 하늘의 넓은 영역을 빠르고 반복적으로 조사하는 것입니다. 이 정보는 우주의 기원을 이해하는 데 매우 중요하며, 과학자들이 빠르게 팽창하는 우주의 먼 미래에 무슨 일이 일어날지 이해하는 데 도움이 됩니다. 또한 대규모 조사를 통해 다른 별 주위의 행성계를 연구하여 우리와 같은 태양계가 흔한지, 희귀한지, 아니면 독특한지를 알아볼 것입니다.

이 사진은 최근 메릴랜드 주 그린벨트에 있는 NASA의 고다드 우주 비행 센터의 가장 큰 클린룸에 전달된 NASA의 낸시 그레이스 로마 우주 망원경용 광학 망원경 어셈블리를 보여줍니다. (이미지:NASA/Chris Gunn)

2024년 11월 L3Harris에서 NASA로 완전히 완성되고 테스트된 OTA(광학 망원경 어셈블리)를 전달함으로써 주요 프로그램 이정표가 달성되었습니다. 이 하드웨어는 관측소의 "눈" 역할을 하며 임무의 두 장비가 사용할 우주의 빛을 수집하고 조절합니다.

NASA의 신뢰할 수 있는 파트너인 L3Harris는 OTA의 설계, 제작, 통합 및 테스트를 담당했습니다. 여기에는 직경 2.4미터(8피트)의 주 거울과 9개의 다른 작은 거울, 거울을 서로 정렬하기 위한 견고한 구조, 그리고 망원경이 가혹한 우주 환경에서 작동할 수 있도록 하는 데 필요한 수많은 지원 시스템이 포함됩니다.

프로그램 시작부터 OTA는 NASA와 과학계가 이 임무를 위해 제시한 까다롭고 독특한 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었습니다. 망원경 팀의 주요 초점 영역 중 하나는 임무의 극도의 광학적 안정성 요구를 충족할 수 있는 시스템을 제공하는 데 필요한 기술을 개발하는 것이었습니다. 여기에는 이전에 달성한 것보다 열팽창계수(CTE)가 낮은 새로운 독점 탄소 복합 재료의 개발이 포함되었습니다. 너무 낮아서 그 특성을 측정하기 위해 새로운 기술을 개발해야 했습니다. 극도로 낮은 CTE로 인해 이 소재 조각은 온도가 화씨 100도(섭씨 55도) 변할 때 축구장 길이가 100미크론(사람 머리카락 너비)만큼만 변합니다.

이 사진은 NASA의 낸시 그레이스 로마 우주 망원경의 전체 광학 시스템을 보여줍니다. 이 이미지의 바닥에 보이는 2.4미터 길이의 주 거울을 포함하여 10개의 거울로 구성되어 있으며, 이를 이미징 광학 어셈블리(IOA)라고 합니다. (이미지 :NASA / Chris Gunn)

이러한 안정적인 재료를 사용하더라도 망원경의 온도는 임무 목표를 달성하기 위해 일정하게 유지되어야 합니다. L3Harris는 관측소의 여러 부분이 뜨거운 태양열에 노출되거나 거의 절대 영도에 가까운 우주 공간에서도 망원경의 주요 영역을 섭씨 수천분의 1도까지 안정적으로 유지할 수 있는 새로운 온도 감지 및 제어 아키텍처를 개발했습니다. 이 최첨단 열 제어 시스템은 망원경 내의 구조와 광학 장치가 극도로 안정적인 상태를 유지하고(파면 오류의 나노미터 미만 변화) 다양한 열적 극한 상황을 경험하는 동안에도 정밀한 과학 측정을 계속 제공하도록 보장합니다.

OTA는 지구에서 백만 마일 떨어진 최종 작동 목적지에 도달하면 최적의 광학 성능을 갖도록 설계되었습니다. 이는 설계가 지구에 미치는 중력과 작동 온도까지 냉각되는 망원경의 작은 영향까지 고려해야 함을 의미합니다. L3Harris의 엔지니어들은 망원경이 실온의 지구의 중력에서 우주의 차가운 무중력 환경으로 이동할 때 망원경에서 일어날 변화를 예측하기 위해 광범위한 시뮬레이션을 수행했습니다. 이러한 예상되는 변화는 망원경 광학 장치의 설계, 제작 및 정렬 과정에서 고려됩니다. 또한 예측에서 알려지지 않은 사항을 수정하기 위해 여러 주요 광학 장치를 이동할 수 있습니다.

NASA의 첫 번째 천문학 및 태양물리학 책임자의 이름을 딴 완성된 낸시 그레이스 로마 우주 망원경의 컴퓨터 생성 렌더링입니다. (이미지 :NASA)

OTA는 다양한 미러의 최종 광학 정렬이 수행되면서 2024년 초에 중요한 단계에 진입했습니다. 이를 위해서는 10개의 광학 장치를 미세한 정밀도로 서로 정렬하고 배치한 다음 영구적으로 고정해야 했습니다. 사람 머리카락 굵기의 10분의 1만큼 작은 오정렬 오류는 망원경의 이미징 성능을 저하시킵니다. 이러한 극도의 정렬 정밀도를 달성하기 위해 간섭계라는 특수 카메라 시스템을 사용하여 나노미터 수준의 정확도로 거울을 모니터링하고 이 중요한 정렬 프로세스 중에 피드백을 제공했습니다.

최종 정렬 후 망원경은 로켓 상단에 장착된 우주로 발사될 때 경험하게 될 극한 환경을 포함하는 엄격한 동적 테스트를 거쳤습니다. 여기에는 제트 엔진 옆에 서 있을 때보다 더 큰 음향 소음 수준을 망원경에 노출시키는 것과 고중력 기동 중에 전투기 조종사가 경험하는 것보다 몇 배 더 높은 가속력이 포함됩니다.

OTA가 통과해야 하는 최종 테스트는 OTA가 우주에 있는 동안 경험하게 될 가혹한 환경을 시뮬레이션하는 조건에서 시스템 성능을 평가하는 열진공 테스트였습니다. 이 테스트는 뉴욕주 로체스터에 있는 L3Harris 시설의 대형 진공 챔버에서 진행되었습니다. 매우 차가운 환경을 제공하기 위해 진공실 내벽을 액체질소로 냉각시켰고, 망원경은 화씨 영하 120도(섭씨 영하 85도)까지 냉각시켰다. OTA는 원하는 온도를 유지하는 동시에 여유를 가지고 모든 요구 사항을 충족하는 절묘한 광학 성능을 제공하는 능력을 보여주었습니다. 이 테스트가 성공적으로 완료된 후 OTA는 NASA 고다드 우주 비행 센터에 전달되어 과학 장비 및 우주선 차량과 함께 통합되었습니다.

로마 우주 망원경이 발사되면 L2 라그랑주 지점(태양에서 볼 때 지구 바로 "뒤"인 150만 킬로미터(100만 마일))을 선회하는 NASA의 제임스 웹 우주 망원경과 합류하게 됩니다. Roman은 Webb 망원경과 함께 작동하여 두 임무가 자체적으로 수행할 수 있는 것보다 우주 현상에 대한 더 큰 통찰력을 제공하는 무료 과학적 관찰을 수행하도록 설계되었습니다. 로마 우주 망원경은 허블 우주 망원경과 비슷한 해상도로 하늘의 넓은 영역을 이미지화할 수 있지만 허블보다 1000배 더 빠릅니다. 이를 통해 웹 우주 망원경의 관심 대상을 식별하기 위해 매우 정밀하게 하늘의 넓은 영역을 조사할 수 있습니다.

Roman은 또한 지금까지 만들어진 가장 안정적인 대형 우주 망원경이 될 것입니다. Webb보다 최소 10배, Hubble보다 100배 더 안정적입니다. 이러한 광학 안정성은 과학자들이 이전에는 불가능했던 방식으로 우주론의 기본 이론을 테스트할 수 있게 해주는 시스템의 중요한 기능입니다. 그리고 초안정 망원경이 코로나그래프와 결합되면 NASA의 다음 주력 천체물리학 임무인 거주 가능 세계 관측소(Habitable Worlds Observatory)와 생명이 존재할 수 있는 행성을 찾는 목표를 향해 나아가는 과정에서 핵심 역량을 보여줍니다.

로마 우주 망원경 OTA의 인도는 L3Harris와 NASA의 오랜 파트너십의 최신 이정표입니다. L3Harris는 60년 넘게 우주 탐사를 발전시키는 최첨단 이미징 시스템과 기타 솔루션을 제공해 왔습니다. 허블 망원경, 찬드라 망원경, 제임스 웹 망원경부터 국제 우주 정거장, 화성 탐사선에 이르기까지 L3Harris는 NASA와 함께 모든 단계에서 인간 발견의 한계를 넓혀 왔습니다.

이 기사는 L3Harris Technologies(뉴욕주 로체스터)의 수석 시스템 엔지니어인 Peter Miller가 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하세요.  .