[논문 리뷰] Interstellar Probes: The Benefits to Astronomy & Astrophysics

K. F. Long|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 11.

Astro and Planetary Science참고 문헌 10인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 레이저 추진을 통해 0.2c 속도로 근처 별들로 갈 수 있는 로봇 행성 탐사선, 예를 들어 브레이크스루 스타샷에서 제안한 바와 같이, 원격 감지만으로는 확보할 수 없는 현장 측정을 가능하게 하여 천문학과 천체물리학에 고유한 과학적 이점을 제공한다고 제안한다. 기지의 레이저 기반 에너지 배열을 이용해 그램 단위의 탐사선을 0.2c 속도로 근처 별들로 보낼 경우, 태양계 외 행성, 항성계, 기본 물리 법칙에 대한 고해상도 데이터를 확보할 수 있으며, 이는 우주 망원경을 보완하고, 여러 탐사선을 투입할 경우 과학적 가치에서 그들을 뛰어넘게 된다.

ABSTRACT

Long range observations in the field of astronomy have opened up our understanding of the Solar System, the Galaxy and the wider Universe. In this paper we discuss the idea of direct in-situ reconnaissance of nearby stellar systems, using robotic probes. In particular, we consider what additional knowledge can be learned that can only be obtained by such close encounters. This may include calibration of existing measurements, detailed observations of stellar winds, astrometry measurements of stellar parallax, refinement of our understanding of physics through the use of long baseline interferometers. In addition, getting close to an exoplanet will enable detailed knowledge of planetary interiors, surface processes, geological evolution, atmospheric composition and climate, internal seismology, detailed surface morphology and even the speculative possibility of detecting the presence of microbial life, detailed palaeontology or even indigenous life-forms. We argue that astronomical remote sensing should be pursued in parallel with in-situ reconnaissance missions by robotic probes, so that both can enhance the discoveries and performance of the other. This work is in support of Project Starshot; an effort to send a Gram-scale probe towards another star at 0.2c within the next two decades, and return images and other data to the Earth. Presented at the 47th IAA Symposium on Future Space Astronomy and Solar System Science Missions. Session on Space Agency Strategies and Plans.

연구 동기 및 목표

• 현장 측정을 통한 행성 탐사선이 원격 천체 관측에 비해 가지는 과학적 이점 평가
• 근접 탐사만이 가능할 수 있는 특정 천체물리 측정 항목 식별
• 장거리 망원경과 로봇 행성 탐사선을 동시에 개발하여 상호 보완적인 과학 도구로 활용할 것을 주장
• 레이저 추진을 이용한 그램 단위의 탐사선을 알파 센타우리 시스템으로 발사하는 가능성과 과학적 수익 평가
• 심우주 탐사 및 전력 전송을 위한 레이저 빔 기반 추진 기술의 장기적 확장 가능성 탐색

제안 방법

• 지상 기반의 방향성 에너지 어레이를 이용해 그램 단위의 탐사선을 알파 센타우리와 같은 근처 별들로 0.2c 속도로 가속화하는 레이저 스테일 추진 기술 제안
• 행성 내부, 대기, 표면 형태를 현장에서 측정하기 위한 미니어처 과학 기기 탑재
• 행성 탐사선을 안정된 기반으로 삼아 장거리 광학 간섭계의 성능을 모델링하여 천체 운동학적 및 광도 측정 수행
• 장거리 간섭계를 활용해 일반 상대성 이론 및 양자 효과 등을 검증하기 위해 행성 탐사선을 기반 플랫폼으로 활용 고려
• 탐사선에서의 낮은 전력 전송과 약한 신호 탐지에 필요한 대규모 지상 수신 어레이의 필요성 등 데이터 수신 과제 분석
• 향후 탐사 비행 및 지구 또는 인공위성에 전력 전송이 가능한 스케일러블 빔 추진 추진 기술의 잠재력 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외계행성 및 근처 항성계의 현장 탐사만이 가능하게 하는 고유한 천체물리 측정은 무엇인가?
• RQ2 시간이 지남에 따라 행성 탐사선의 과학적 가치와 고도로 발사된 지구 궤도의 우주 망원경의 과학적 가치를 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ3 그램 단위의 탐사선을 0.2c 속도로 행성 간 여행을 실현하기 위한 주요 기술적·공학적 과제는 무엇인가?
• RQ4 행성 탐사선이 원격 감지 플랫폼의 과학적 성과를 어떻게 보완적인 데이터를 제공함으로써 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 빔 추진 기반 기술이 장기적으로 행성 간 탐사 및 에너지 전송에 어떻게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 행성 탐사선은 원격 감지만으로는 확보할 수 없는 외계행성 내부, 대기 조성, 지질학적 진화, 잠재적 생명 징후를 직접 측정할 수 있다.
• 외계행성과의 근접 접촉은 고정밀 천체 운동학적 측정 및 항성의 기하학적 거리 측정을 가능하게 하여 항성 운동과 거리 이해를 향상시킨다.
• 안정된 기반에서의 장거리 간섭계는 지상 또는 저궤도 망원경보다 더 높은 해상도와 안정성을 확보할 수 있어 일반 상대성 이론 및 기본 물리 법칙 검증에 유리하다.
• 레이저 스테일 추진 기술을 활용한 브레이크스루 스타샷 미션 개념은 40년간의 알파 센타우리 행 비행을 가능하게 하지만, 데이터 수신을 위해 대규모이고 민감도가 높은 지상 수신 어레이가 필요하다.
• 여러 개의 탐사선 군집을 투입할 경우 단일 대형 탐사선이 제공하는 정보량과 유사한 결과를 얻을 수 있으며, 이는 미션 단위 비용 대비 과학적 수익을 크게 증가시킨다.
• 확장 가능한 빔 추진 추진 기술은 장기적으로 우주비행사 동반 행성 탐사 및 지구 또는 인공위성에 전력 전송을 가능하게 하여 우주 탐사 및 에너지 분배 분야의 새로운 영역을 열 수 있다.