| 인류의 토성 탐사 | ||||
| {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] | <rowcolor=#fff,#1c1d1f> 이름 | 접근 시기 (최근접) | 운영 주체 | 탐사 방식 |
| <colbgcolor=#fff,#1c1d1f> 파이어니어 11호 | 1979년 | 미국 항공우주국 | 중력도움 | |
| 보이저 1호 | 1980년 | 미국 항공우주국 | 중력도움 + 타이탄 중력도움 | |
| 보이저 2호 | 1981년 | 미국 항공우주국 | 중력도움 | |
| 카시니-하위헌스 | <rowcolor=#fff,#1c1d1f> 2004년 ~ 2017년 | NASA / ESA | 토성 궤도선 & 타이탄 착륙선 | |
| 드래곤플라이 | <rowcolor=#fff,#1c1d1f> 2027년 발사예정 | NASA | 타이탄 착륙선 |
| <colbgcolor=#e3ab57,#99680e><colcolor=#fff,#1c1d1f> 카시니-하위헌스 Cassini-Huygens | |
| | |
| 토성 궤도에 진입하는 카시니-하위헌스의 상상도 | |
| 발사 | 1997년 10월 15일 |
| 케이프 커네버럴, Space Launch Complex 40 | |
| 운반체 | Titan IVB |
| COSPAR ID[1] | 1997-061A |
| SATCAT no[2] | 25008 |
| 임무 유형 | Cassini : 토성 탐사 임무 Huygens : 위성 타이탄 착륙 임무 |
| 임무 수행 기간 | 19년 335일[3] |
| 제작 | Cassini : 제트 추진 연구소 Huygens : 탈레스 알레니아 스페이스 |
| 운용 | Cassini : 나사/제트 추진 연구소 Huygens : 유럽우주기구/이탈리아 우주기구 |
| 발사 중량 | 5,712 kg (12,593 lb) |
| 건조 중량 | 2,523 kg (5,562 lb) |
| 탑재 중량 | 350 kg (770 lb) |
| 면적 | 전고 : 6.8 m 전폭 : 4.0 m |
| 동력원 | 플루토늄-238 RTG[4] 3기 |
| 출력 | 초기 : 885 W 2010년 : 670W 2017년 : 663W |
| 속도 | 123,607 km/h |
| 기준계 | Kronocentric |
| 마지막 통신 | 2017년 9월 17일, X밴드 원격측정 : 11:55:39 UTC S밴드 주파수 : 11:55:46 UTC |
| 최후 | 토성 대기권 진입 |
| 홈페이지 | |
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1. 개요
Cassini–Huygens카시니-하위헌스는 토성과 그 위성들을 탐사할 목적으로 발사된 NASA와 ESA, 이탈리아 우주국(ASI)[5]의 무인 토성 탐사선이다. NASA에서 토성 궤도선인 카시니 본체와 ASI에서 통신 장치와 광학 장비를, ESA에서 토성의 최대 위성인 타이탄의 착륙선인 하위헌스를 개발했다.
2. 상세
| 토성 궤도선 카시니(상)와 타이탄 착륙선 하위헌스(하)의 모습 |
1998년 4월과 1999년 6월에 금성, 1999년 8월에 지구를, 2000년 12월부터 목성에서 6개월 간 스윙바이를 실시하여 가속한 후, 2004년 7월 1일에 성공적으로 토성 궤도에 진입했다. 토성 궤도에 진입한 이후로 토성과 여러 위성들을 근접 탐사하여 천문학계에 많은 정보와 사진을 전송해 왔다.
2005년 1월에는 부속 착륙선인 하위헌스를 타이탄에 착륙시켜 90여분간 자료를 보내왔다. 하지만 하위헌스는 타이탄의 추위에 통신 장비가 얼어버려서 통신이 끊기는 바람에 착륙 후 1시간 30분 만에 짧은 임무를 마쳤다. ESA는 하위헌스의 작은 배터리 용량으로 타이탄 대지에 당도한 후 최대 30분 정도 동작할 것으로 기대했기에 예상보다는 길게 임무를 한 셈이지만, 두 궤도선과 착륙선 간의 설계상 착오와 기술적 한계로 인해 많은 탐사 자료를 소실하고 말았다.
하위헌스 탐사선은 타이탄의 표면에 착륙하면서 지표면의 물리적 특성을 직접 측정하였다. 착륙 지점은 얼음 자갈과 유기물질로 이루어진 평탄한 지역으로, 표면은 예상보다 단단하고 건조하였다. 이러한 관측은 타이탄의 지질학적 활동과 표면 구성에 대한 중요한 정보를 제공하였다.
카시니 탐사선은 토성의 위성 엔셀라두스에서 분출되는 수증기와 얼음 입자 기둥인 플룸을 여러 차례 통과하며 직접 샘플링을 수행하였다. 이를 통해 플룸 내에 수소, 메탄, 복합 유기물 등이 존재함을 확인하였으며, 이는 엔셀라두스의 지하 해양에 열수 분출공이 존재할 가능성을 시사한다.
카시니는 13년 이상의 맹활약으로 교과서의 토성 관련 서술을 싹 갈아치운 뒤, 2017년 4월에 토성의 고리 맨 안쪽을 조사하는 그랜드 피날레 궤도에 진입하여 2017년 9월 15일부로 대기에 돌입하고 임무를 마감했다. 이 과정에서 대기 밀도, 온도, 자기장 등의 실시간 데이터를 수집하였으며, 이는 토성 대기의 상층 구조와 조성에 대한 직접적인 정보를 제공하였다.
카시니는 토성의 자기권 구조와 동역학을 상세히 조사하였다. 특히, 토성의 자기권 내에서 발생하는 플라스마파와 입자 상호작용을 관측하여, 태양풍과 토성 자기권의 상호작용, 위성들이 자기권에 미치는 영향 등을 분석하였다. 이를 통해 토성 자기권의 복잡한 구조와 변화 과정을 이해하는 데 기여하였다.
굳이 비싼 카시니를 희생시키는 이유는 궤도선의 추진제가 바닥난 상황에서 그대로 미션을 종료하게 되면 카시니는 토성의 궤도를 무한히 돌게 되기 때문이다. 그리고 토성에는 생명이 존재할 환경이 마련된 후보 위성들(엔셀라두스 등)이 있기 때문에, 그렇게 떠돌던 카시니가 생명체가 있을지도 모르는 토성의 위성에 부딪히게 되면 카시니에 묻어 있을 지구의 미생물, 세균과 카시니에 탑재된 원자력 전지에 들어 있는 방사능 등에 의해 위성이 오염될 수 있다. 만약 이런 일이 벌어진다면 혹시나 그곳에 살고 있을지도 모르는 생명체가 절멸할 수 있다. 따라서 연구진은 탐사선을 토성의 대기 속으로 진입시켜 파괴하기로 결정했다. 갈릴레오 탐사선도 이와 동일한 방법으로 임무를 종료했다.
2017년 9월 15일, 예정대로 토성 대기권 진입 실시를 발표하였고 2017년 9월 15일 KST 19:20경 대기권 마찰로 불타 토성의 일부가 되었다.
2017년 4월 26일, 구글 두들에 실렸다.
3. 이름
카시니 탐사선은 부속 착륙선인 하위헌스와 본체인 궤도선 카시니로 나뉜다.(혹은 묶어서 카시니-하위헌스라고도 한다.)궤도선인 카시니는 이탈리아 출신의 프랑스 천문학자인 조반니 도메니코 카시니의 이름을 따서 지어졌다. 카시니는 토성의 고리에 틈(카시니 간극)이 있다는 사실을 알아냈으며, 4개의 위성도 발견하였다. 착륙선인 하위헌스는 토성의 위성인 타이탄을 발견한 인물인 네덜란드의 천문학자 크리스티안 하위헌스의 이름을 따서 지어졌다. 파동의 굴절에서 하위헌스 원리의 그 하위헌스다. 두 명의 천문학자 모두 토성과 관련된 업적이 주를 이루는 인물들이며 동시대에 프랑스 왕립아카데미에서 활동했다.
국내에서는 과거 카시니-호이겐스라고 알려지기도 했으나 이는 하위헌스(Huygens)의 일본어식 표기 ホイゲンス(호이겐스)를 중역한 것이다. 영어식 발음으로 잘못 알려져 있는데, 영어식 발음은 네덜란드어에 꽤 가까운 /háiɡəns/(하이건스)이다. 한국에서는 최근에는 이 사람들의 이름을 본토의 발음을 따라 '하위헌스'로 표기하는 추세다. 교육과정 기준으로 2007 개정 교육과정 또는 2009 개정 교육과정 이후로 추정된다. 전 축구선수 파트릭 클루이베르트를 '파트릭 클라위베르트'라고 쓰는 것과 동일하다. 비슷하게 거스 히딩크도 네덜란드어식으로 읽으면 '휘스 히딩크'에 가깝지만 히딩크는 본인 요청에 따라 영어식으로 '거스 히딩크'라고 표기한다. 영어권 국가들의 사람들은 본토 발음을 무시하고 무조건 자기네들 맘대로 읽기 때문에 우리에게도 저런 발음이 알려진 것이다.
4. 목적
NASA에서 계획한 카시니의 주 목적은 아래와 같다.- 토성의 고리의 3차원적 구조를 조사하고 근원을 밝혀낸다.
- 토성의 위성들의 표면 성질과 지질학적 정보를 조사한다.
- 토성의 위성인 이아페투스에 덮혀있는 검은 물질에 대한 정보를 조사, 혹은 그 원인을 규명해낸다.
- 토성의 자기권의 3차원적 구조를 조사하고 근원을 밝혀낸다.
- 토성의 대기권에 관한 정보를 조사, 연구한다.
- 타이탄의 대기권에 관한 정보를 조사, 연구한다.
- 타이탄의 표면에 관한 정보를 조사, 연구한다.
5. 비용
카시니의 과학적 탐사 비용에는 발사 전 개발비용에 14억 달러가 사용되었고 명령 조달 및 통제에 7억 400만 달러, 위치 추적이나 좌표 확인에 5,400만 달러, 발사 비용으로 4억 2,200만 달러가 사용되었다. 위 비용들과 기타 비용을 합산하여 총 32억 6,000만 달러가 사용되었다. 이는 한화로 약 3조 6천억 원 이상 정도의 금액이다. 그 비용 중에서 미국 정부가 80%를 담당하였고 15%는 ESA에서, 5%는 이탈리아 우주국(ASI)에서 담당하였다.6. 우주선
카시니 호는 태양전지판이 아닌 원자력 전지(RTG)에서 전력을 공급받는다. 전력원은 방사성 동위원소인 플루토늄-238로 발사 당시에 32.7kg이 탑재되었다. 원자력 전지는 시간이 지날수록 전력 생산량이 떨어지며, 2010년 기준으로 카시니는 670W의 전력을 공급받았다. 카시니 궤도선의 무게는 2,150kg이고 하위헌스 착륙선의 무게는 350kg이며 토성의 궤도를 선회한 카시니 궤도선은 높이 6.8m, 너비 4m가량이다.7. 시스템 사양
| Honeywell HX1750 16Bit 프로세서[6]MIL-STD-1750A라고 부른다.] | |
| 코어클럭 | 40MHz |
| 코어수 | 1 |
| 명령어 셋 | DMA, Console Interface, Progammed I/O, Discrete I/O |
| 부가기능 | 메모리 블럭 보호기능, Trigger Go-counter, Start-ROM 지원, 외부 확장메모리 엑세스 MMU(1Meg), IOIC 레지스터 |
| 메모리 | 512KB EDO-RAM |
| 저장장치 | 10.000x 테이프 드라이브[7] |
8. 통신
카시니는 지구로부터 8.2AU~10.2AU 거리에 떨어져 있었고 토성의 궤도를 선회하였다. 지구나 카시니에서 송신/수신하는 전파는 서로의 위치에 도달하기까지 68분~84분이 소요된다.9. 결함
카시니 탐사선에도 이상증상이 보였는데 원인은 다름아닌 컴퓨터 내부 저장매체인 테이프 드라이브.탐사선의 관측 및 촬영 데이터를 쓰고 지우는 방식인데 이게 10배속으로 회전하므로, 그 과정에서 마찰열이 발생하여 저장테이프가 녹아서 눌어붙을 수 있는 문제가 발생되었다. 그래서 제시된 해결책이 테이프 드라이브의 모터를 본래 속도의 30% 정도 저속으로 돌려서 눌어붙음을 방지하는 게 최선의 방법이었지만, 그 대가로 처리속도가 느려져서 자료전송량이 1/3로 확 줄어버렸다.
펌웨어 결함도 있다. 타이탄 착륙선인 하위헌스 호는 탐사선 크기가 작아서 지구로 데이터를 직접 전송할 수 없었고, 때문에 토성 궤도선인 카시니 호를 경유해 지구로 데이터를 전송해야만 했다. 유럽우주국 소속 엔지니어들은 하위헌스 호의 라디오 통신 기능을 제대로 테스트해보지 못하고 카시니-하위헌스 호를 발사한 일을 찝찝하게 생각하고 있었고, 끈질긴 연구 끝에 카시니 호가 하위헌스 호의 데이터를 올바르게 중계할 수 없을 것이란 점을 실험으로 입증해냈다.
하위헌스 호가 타이탄에 착륙할 때 카시니 호에 비해 속도가 빨라지는데 설계 팀은 도플러 효과(파동원과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 현상)의 영향을 완전히 고려하지 않았다. 카시니 호의 하드웨어는 도플러 효과로 인한 변화를 감안해 알맞게 설계되었으나, 정작 컴퓨터의 펌웨어는 그렇게 프로그래밍 되지 못했다. 도플러 효과가 Phase-shift keying 즉 기준 신호의 위상을 변조해 데이터를 전송하는 디지털 변조 프로세스의 타이밍도 바꿀 것이란 점을 깜빡하고 놓친 것이었다.
이미 지구를 떠난 카시니-하위헌스 호의 펌웨어를 재프로그래밍 하는 것은 불가능했고 결국 하위헌스 호의 궤적을 변경하기로 결정한다. 원래 계획보다 하위헌스 호의 타이탄 착륙이 한 달 지연되었다. 하위헌스 호의 분리 후 진행 방향을 바꾸었고, 덕분에 도플러 효과의 영향을 크게 줄였다. 하지만 하위헌스 호의 회전 방향이 반대가 되는 바람에, 분할로 찍힌 촬영물을 조합하고 합성하는데 몇 개월의 더 오랜 시간이 걸렸다. 물론 궤적을 바꾸지 않았다면 하위헌스 호가 보낸 착륙과정의 모든 데이터가 손상되었을 것이다.
그러나 문제는 거기에서 끝나지 않았다. 카시니 호는 채널 A와 채널 B로 불리는 두 개의 S-밴드 라디오로 하위헌스 호와 통신을 했는데, 명령어 오류로 인해 카시니 호의 채널 A 수신기가 작동을 하지 않았다. 채널 A로는 타이탄의 풍속 측정값을 받기로 되어 있었는데, 채널 A 수신기가 안켜지는 바람에 하위헌스 호가 보낸 풍속 측정값이 소실됐다. 또한 하강 중에 타이탄의 지표를 분할 사진으로 찍어 각 채널마다 350장씩 총 700장을 카시니가 수신하는게 원래 계획이었지만, 채널 A 먹통으로 350장의 사진이 소실됐다. 카시나 호와 하위헌스 호 사이의 모든 도플러 무선 측정값도 소실되었다. 결국 과학자들은 하위헌스 호의 가속도계 측정값과 지구에서 추적한 하위헌스 호의 위치값을 사용해 타이탄의 풍속과 하위헌스 호의 진행방향을 계산해냈다. 그래도 직접 측정한 값보다 당연히 오차값이 크게 나올 수밖에 없다.
기술적 문제로 인해 카시니-하위헌스 호가 못다한 과제는 이후 드래곤플라이 탐사선의 몫으로 넘어갔다.
10. 엔셀라두스의 바다
카시니의 최대 업적 중 하나가 바로 엔셀라두스다. 타이탄에만 환장하느라 상대적으로 주목을 덜 보내던 엔셀라두스에서 따뜻한 물기둥 분출과 바다의 존재를 확인함으로써 타이탄에만 관심을 집중하던 학자들에게 주목받았다. 사실상 엔셀라두스가 유로파 수준으로 주목받게 된 계기로 NASA의 일부 학자들은 유로파 미션 말고도 토성의 엔셀라두스에도 프로브를 보내야 한다고 주장하기 시작했다. 거기에 2017년 4월 13일의 중대 발표에 따르면 엔셀라두스에서 분사된 가스와 물기둥으로 플라이-바이 다이빙을 하면서 그 속에 물과 수소, 이산화 탄소, 메테인 그리고 암모니아 등의 분자 혼합물을 발견하였다. 이는 유기체의 먹이가 존재하는 증거인 동시에 대양 속의 암석층이 바다와 상호작용을 일으켜 화학적인 앙상블을 만들고 있으며 그것이 엔셀라두스에 존재한다는 결정적 단서이다. 즉 뜨거운 물이 있고 생명체가 있을 법하다는 뜻이다. 아쉽게도 카시니에는 생명체 판독을 위한 별도의 장비가 없어 생명체 파악 유무는 다음 탐사선의 몫이 되었다.11. 타이탄 플라이바이
타이탄은 수성보다도 거대한 위성이다. 그리고 큰 크기에 걸맞게 토성으로부터 매우 먼 최외각부에 가까운 궤도를 돌고 있는데, 그 덕에 2008년 임무종료 예정이었던 카시니의 훌륭한 추진력 공급원이 되어주었다.프라임 미션인 회색을 시작으로 주황색, 파란색, 노란색, 보라색, 녹색 순으로 궤도를 바꿨는데, 이런 정기 개편 때마다 타이탄의 속도를 강탈하며 새 궤도를 짜냈다. 타이탄은 그야말로 카시니를 십수 년간 하드캐리한 주역 중의 주역이라 할 수 있으며, 카시니는 이 과정에서 하위헌스의 통신 중계를 비롯해 타이탄에 관한 많은 정보를 얻어내기도 했다.
12. 그랜드 피날레
2017년 9월의 그랜드 피날레는 마지막으로 타이탄 플라이바이를 실시하여 이뤄졌다.
토성의 위성 중에도 생명체가 존재할 수 있는 후보군이 있다. 개요에서 설명했듯 카시니가 데리고 있는 플루토늄 덩어리와 혹시 갖고 있을지도 모르는 세균들을 그냥 방치했다가는 영원무궁토록 토성을 돌다가 타이탄이나 엔셀라두스에 충돌하는 수가 있다. 특히 엔셀라두스는 오랜 세월 폐쇄되어 있었던 곳인데다 더운 물까지 발견된 곳이니 세균 한 마리 잘못 풀었다간 생명체가 멸종할 수 있다.
그래서 갈릴레오가 그랬듯이 토성 주회 궤도를 마지막으로 개편할 때 F링 탐사기간을 거쳐 타이탄을 플라이바이한 후 대기권 맨 안쪽을 탐사하기 시작한다. 그리고... 몇 달이 지난 뒤 토성 대기에 진입하여 마지막까지 데이터를 전송한 뒤 소멸. 이 궤도를 그랜드 피날레로 칭하며 NASA에서는 2016년 9월부터 대대적인 홍보 캠페인을 벌였다.
NASA의 그랜드 피날레 2편 음악을 <어쌔신 크리드: 오리진> 게임 음악 작곡가인 세라 섀크너가 작곡했다.
카시니 호의 마지막 임무는 새로운 모험입니다. 토성과 고리 사이를 22번 통과하고 탐사하지 않은 곳을 반복적으로 지나가며 카시니 호는 고리의 기원과 토성의 내부 구조에 대한 새로운 사실들을 밝혀냅니다. 그 어느 때보다도 토성과 가까워진 상태에서 말이죠.
(Cassini's Grand Finale is a brand new adventure. Twenty-two dives through the space between Saturn and its rings. As it repeatedly braves this unexplored region, Cassini seeks new insights about the origins of the rings, and the nature of the planet's interior -- closer to Saturn than ever before.)
마지막 선회에서 작별인사를 보내기 위해 안테나를 지구 쪽으로 돌려놓기를 애쓰면서 카시니 호는 토성의 하늘로 뛰어들 것입니다.
(On the final orbit, Cassini will plunge into Saturn fighting to keep its antenna pointed at Earth as it transmits its farewell.)
마침내, 토성의 하늘에서 카시니 호는 행성의 일부가 되며 그 여정을 끝냅니다.
(In the skies of Saturn, the journey ends, as Cassini becomes part of the planet itself.)
2017년 9월 15일
임무 종료
SEPTEMBER 15, 2017
END OF MISSION
(Cassini's Grand Finale is a brand new adventure. Twenty-two dives through the space between Saturn and its rings. As it repeatedly braves this unexplored region, Cassini seeks new insights about the origins of the rings, and the nature of the planet's interior -- closer to Saturn than ever before.)
마지막 선회에서 작별인사를 보내기 위해 안테나를 지구 쪽으로 돌려놓기를 애쓰면서 카시니 호는 토성의 하늘로 뛰어들 것입니다.
(On the final orbit, Cassini will plunge into Saturn fighting to keep its antenna pointed at Earth as it transmits its farewell.)
마침내, 토성의 하늘에서 카시니 호는 행성의 일부가 되며 그 여정을 끝냅니다.
(In the skies of Saturn, the journey ends, as Cassini becomes part of the planet itself.)
2017년 9월 15일
임무 종료
SEPTEMBER 15, 2017
END OF MISSION
NASA의 실제 홍보 영상. 카시니-하위헌스 호의 항해 일지를 정리해놨다. 마지막은 그랜드 피날레의 과정을 보여주는데 댓글은 죄다 "쬐그만 로봇 탐사선임에도 내 감성을 자극하고 있다" 라는 반응. 보다 보면 정말 눈물날 정도.
카시니 호가 토성의 대기권에 진입하면서 찍은 마지막 사진들 중 하나. 인류가 최초로 본 토성의 초근접 사진들 중 하나이기도 하다. 희미하게 보이는 위성은 엔셀라두스다. 참고로 색은 인위적으로 합성한 것이다. 실제 이미지를 보려면 # 참고. 해당 사이트에서는 위 사진 외에도 더 이후에 찍은 초근접 사진도 있지만 흑백이다.
KST 2017-09-15 20:56경 JPL 카시니 미션 컨트롤에서 최후 신호 포착을 마지막으로 교신이 끊긴다. 토성과 지구의 거리 차 때문에 실제 최후 신호가 발신된 시점은 약 80분 정도 전이다. 그렇게 교신이 끊기면서 토성 대기권에서 소멸(산화)했음이 최종적으로 확인되었다. 이것으로 카시니는 20년간의 임무를 마치고 역사 속으로 사라지게 되었다. NASA는 "카시니가 토성의 일부가 되었다. 우리는 미래에 토성을 보면서 카시니를 떠올리게 될 것."이라고 말했다. 실제로 전 세계 지구과학 교과서에 있는 토성 관련 자료는 모두 카시니로부터 얻은 것이라 해도 과언이 아니다.
특히 카시니는 대기권에 진입하기 직전까지 토성 고리를 통과하면서 고리의 중력 데이터를 확보해 고리 전체 질량을 측정할 수 있도록 한 업적도 남겼다. 현재 토성의 고리 연구는 카시니에게 상당히 진 빚이 많은 것.
카시티-하위헌스 호가 임무를 종료한 지 2년째 되는 해의 대학수학능력시험에서 지구과학I 과목의 1번 문제로 출제되었다. 토성 주위를 선회하였기 때문에 '표면에 연착륙했다'는 옳지 않은 설명이고 토성까지의 먼 여정을 위해 금성을 2번, 지구를 1번, 목성을 1번 근접 비행하였다.
[1] 본래의 명칭은 NSSDC ID이며, 전 세계 인공위성의 일련번호이다.[2] 위성 카탈로그 번호[3] 이 중 13년 76일은 토성의 탐사기간이며, 또한 토성까지 가는데 6년 261일이 소요되었고, 마지막 임무기간은 3년, 연장임무는 Cassini Equinox mission 2년 62일, Cassini Solstice Mission 6년 205일, Cassini Finale mission은 4개월 24일이다.[4] Radioisotope thermoelectric generator, 방사성 동위원소 열발전기[5] 이탈리아어 약자는 ASI(Agenzia Spaziale Italiana)고 영문 약자는 ISA(Italian Space Agency)이다.[6] 80386과 동급의 속도를 가진 프로세서로, MIL-STD 인증을 거쳤기에 흔히들[7] 일반 카세트 테이프가 아닌 연구소에서 사용되는 테이프 드라이브로 10.000배속으로 회전하여 데이터를 읽고 지우고 쓴다.