SPHERE의 첫번째 빛

 

Credit: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

 

사진1>

이 적외선 사진은 남반구 별자리인 켄타우로스자리에 있는 별 HR 4796A를 감싸고 있는 먼지고리를 보여주고 있다.

이 사진은 2014년 5월 ESO VLT에 SPHERE 장비가 설치된 후 처음 만들어진 사진 중 하나이다.

이 사진은 고리를 아주 선명하게 보여주고 있을 뿐 아니라 매우 밝은 별로부터 뿜어져나오는 빛을 제거하는 SPHERE의 능력을 보여준다.

- 이러한 기능은 외계행성을 발견하고 연구하는데 핵심 기술이기도 하다. 

SPHERE(분광광도계에 의한 고 대비 외계행성 연구 장비, the Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch instrument)는 ESO VLT에 탑재된 새로운 장비로서 첫관측을 수행해냈다. 강력한 기능을 가진 이 새로운 설비는 데이터의 조합에 있어 여러 첨단기술을 활용하여 외계행성의 탐색과 연구를 할 수 있도록 해 준다. 이 장치는 현재 존재하는 것보다 훨씬 뛰어난 성능을, 드라마틱하게 보여주고 있으며 관측 첫날부터 근거리에 위치한 별 주위의 먼지 원반을 비롯해 여러 대상의 인상적인 모습을 보여주고 있다.
SPHERE는 프랑스 그레노블 행성학 및 천체물리학 연구소가 이끌고 있는 여러 유럽 연구소들의 컨소시엄에 의해 개발된 설비이다. 이로부터 외계행성 및 주위를 둘러싸고 있는 원반에 대한 세부적인 연구가 활발히 이루어질거라 기대할 수 있게 되었다.

 

 

SPHERE는 2013년 12월 검사를 통과했으며 바로 칠레 파라날 천문대로 운송되었다.
그리고 2014년 5월에 정교한 재조립이 완료되어 현재는 VLT 3번 망원경에 탑재되어 있다.

 

SPHERE는 VLT에게는 차세대 최신 장비이다.(1세대로 탑재된 장비들로는 X-shooter와 KMOS 그리고 MUSE가 있다.)
SPHERE는 몇몇 최첨단 기술들이 접목되어 최초로 외계행성을 직접적으로 촬영한 바 있는 NACO의 성능을 넘어서 직접적으로 행성의 사진을 촬영할 수 있도록 하는 고 대비 기능을 갖추고 있다.
이러한 인상적인 성과에 도달하기 위해 SPHERE에게는 특히 적응광학 영역에서 특별한 감지와 코로나그래프 구성요소에 있어 기발한 기술들의 빠른 개발이 필요했었다.
 
SPHERE 수석연구원이자 프랑스 그레노블의 행성학 및 천체물리학 연구소의 Jean-Luc Beuzit의 소감은 다음과 같다.
"SPHERE는 매우 복잡한 장비입니다.
 이 장비의 설계와 개발, 그리고 설치에 참여해 주신 모든 분들의 노고에 감사를 드립니다.
 이 장비는 벌써부터 우리의 기대를 뛰어넘고 있습니다. 정말 훌륭하기 이를데 없답니다."

SPHERE의 주 목표는 근거리 별 주위를 공전하고 있는 거대 외계행성을 직접적으로 촬영하고, 그 특성을 알아내는 데에 있다.[1]

 

행성들은 자신들의 별에 매우 가깝게 붙어있고, 매우 희미하기 때문에 이와 같은 목표는 극도로 도전적인 일이다.
심지어는 가장 최상의 조건에서도 일반적인 사진에서는 별빛이 행성으로부터 나오는 희미한 빛을 완전히 삼켜버리게 된다.
따라서 SPHERE의 전반적인 설계는 눈부신 빛을 쏟아내는 별 주위의 매우 한정된 작은 영역에서 가능한한 최상의 대비를 활용하는데 초점을 맞추고 있다.

 

SPHERE에 적용된 3개의 첨단 기술 중 첫번째 기술은 지구대기에 의한 효과를 보정하는 극도의 적응광학을 활용하여 외계행성을 보다 고해상도로 보다 증가된 대비를 활용하여 촬영하는데 있다.
두번째 기술은 코로나그래프로서 이는 별빛을 차단하여 지금까지 가능했던 대비를 보다 향상시키는데 주안점을 두고 있다.
마지막 기술은 감별화상화기법(differential imaging)이라 불리는 기술로서 대상의 색체나 편광이라는 측면에서 행성과 별에서 나오는 빛 사이의 미세한 차이를 식별해내는 사용된다.
이 미묘한 차이를 감별해내는 기술은 또한 아직은 직접적으로 관측하지 못한 외계행성들을 식별해내는데도 활용될 수 있다.[2]

 

SPHERE의 설계와 제작에 참여한 연구소들은 하기와 같다.
nstitut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble;
Max-Planck-Institut fur Astronomie in Heidelberg;
Laboratoire d’Astrophysique de Marseille;
Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique de l’Observatoire de Paris;
Laboratoire Lagrange in Nice; onERA; Observatoire de Geneve;
Italian National Institute for Astrophysics coordinated by the Osservatorio Astronomico di Padova;
Institute for Astronomy, ETH Zurich;
Astronomical Institute of the University of Amsterdam;
Netherlands Research School for Astronomy (NOVA-ASTRON) and ESO.

 

첫관측이 수행되는 동안 몇몇 테스트 대상 천체들이 SPHERE의 각각 다른 모드하에서 관측되었다.

 

이 테스트 관측을 통해 지금까지 수행된 관측 중 최상의 사진이 촬영되었는데 그 중에 하나가 HR 4796A 라는 근거리 별 주위의 먼지 고리 사진이다.
이 사진은 특별한 선명도로서 고리를 보여주고 있을 뿐 아니라 SPHERE가 얼마나 훌륭하게 밝은 별로부터 쏟아져나오는 빛을 차단해내고 있는지도 보여주고 있다.

 

좀더 확장된 테스트와 과학적인 검증 관측이 완료되고 나면 SPHERE는 2014년 후반부터 천문학자들이 사용할 수 있게 될 예정이다.

 

Jean-Luc Beuzit의 소감은 다음과 같다.
"이건 그저 시작에 지나지 않습니다.
 SPHERE는 독보적인 강력한 도구이며 의심의 여지가 없는 수많은 멋지고 놀라운 장면들을 선사하게 될 것입니다."

 

Credit: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

 

사진2>

이 사진은 SPHERE가 장착된 후 처음 촬영된 사진 중 하나로서, 토성의 가장 큰 위성 타이탄을 적외선으로 촬영한 것이다.

이 사진은 지름 0.8각초에 지나지 않는 매우 작은 원반의 모습을 세밀하게 보여주는 적응광학시스템이 얼마나 효과적으로 작동하고 있는지 보여주고 있다.

타이탄은 또한 SPHERE의 편광능력를 테스트하는데도 사용된 대상 천체로서 이 기술은 몇몇 외계행성을 연구하는데 대단히 결정적인 기술이 된다.

이 사진은 1.59마이크로미터의 파장을 SPHERE로 감지하여 만든 것이다.

타이탄은 토성의 가장 큰 위성으로서 그 지름은 우리 달의 1.5배 정도이다. 타이탄은 질소로 이루어진 광활한 대기를 가지고 있으며 대략 1.5%의 메탄도 함유하고 있다. 타이탄을 가시광선으로 바라보면 두꺼운 구름 때문에 지표가 보이지 않지만 근적외선으로는 대기를 투과하여 지표면까지 볼 수 있다. 

 

Credit: ESO/J. Girard

 

사진3>

ESO VLT의 3번 망원경에 장착된 SPHERE의 모습.

사진에 검은 박스로 보이는 것이 SPHERE로서 망원경의 한쪽 측면 플레폼 위에 장착되어 있다.

 

 

Credit: ESO/J. Girard

 

 

사진4>

ESO VLT의 3번 망원경에 장착된 SPHERE의 모습.

사진의 대부분은 망원경이 차지하고 있으며 오른쪽 하단에 검은 박스로  SPHERE가 보인다.

 

 

Credit: ESO

 

사진5>

2014년 5월, SPHERE가 장착되고 성공적인 첫 관측이 이루어지기 바로 전의 모습이다.
한 엔지니어가 SPHERE의 복잡한 광학장비와 전자장비 작업을 하고 있다.

 

 

Credit: ESO/J.-L. Lizon

 

사진6> ESO 파라날 천문대로 이송중인 SPHERE의 모습

 

 

Credit: ESO/J.-L. Lizon

 

사진7>

VLT 3번 망원경에 설치되기 위해 매우 주의깊게 운반되고 있는 SPHERE.

이 장비에 의한 첫 관측이 2014년 5월 성공적으로 이루어졌다.

 

 

Credit: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

 

사진 8>

타이탄의 대기는 태양으로부터 오는 가시광선을 반사해내는 두꺼운 연무층을 가지고 있다.

따라서 근적외선이 아니라면 우리는 타이탄의 표면을 볼 수 없고, 타이탄 자체도 그저 아무런 특징없는 구체처럼 보인다(왼쪽)

그러나 이 연무로부터 산란되는 빛은 우리 지구의 하늘처럼 매우 큰 편광 양상을 보인다.

SPHERE에는 매우 감도가 높은 편광계가 장착되어 있으며 이로부터 얼마나 강력한 빛의 편광이 발생하는지 측정할 수 있다.(오른쪽)

타이탄 가장자리에서 연무 입자들에 빛이 산란되면서 강력한 편광현상이 나타나고 있다.

이러한 기술은 외계행성에서 발생한 빛의 반사 양상을 고감도로 관측하여 편광양상을 분석하는데 사용될 것이다.

 

 

Credit: ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

 

사진 9>

SPHERE의 서베이 모드(이중 화상화 카메라를 사용한 근적외선 관측(왼쪽)과 전역분광기술(오른쪽)을 함께 활용하는 모드)로 관측한 별 HR 7581이다. 

HR 7581로부터 0.24초밖에 떨어져 있지 않은 지점을 공전중인 4천 배나 더 희미한 작은 질량의 별이 발견되었다.

이것은 매우 밝은 천체 바로 옆에 위치하는 희미한 천체를 식별해낼 수 있는 SPEHRE의 능력을 보여주는 직접적인 예이다.

밝은 별은 좀더 희미한 동반 별을 사진 상단 우측에서처럼 명료하고 밝게 보이게 만들기 위해 SPHERE에 의해 완전히 차단되고 있다.

이것은 외계행성을 탐지해낼 수 있는 SPHERE의 잠재적 능력을 보여주는 사진인 것이다.

 

 

각주

[1] 

현재 발견된 거의 대부분의 외계행성은 간접관측기술을 통해 발견되었다.
행성을 거느린 별의 시선속도변이(radial velocity variations)라든가 행성이 별 앞을 지나갈때 별빛의 밝기가 갑작스럽게 떨어지는 현상과 같은 그것이 그것이다. 지금까지 직접적으로 촬영된 외계행성은 극히 일부이다. 

(참고 : http://www.eso.org/public/news/eso0515/, http://www.eso.org/public/news/eso0842/)
 
[2] 

SPHERE가 채택하고 있는 단순한 트릭으로는 여러 장의 사진을 촬영하지만 각각의 촬영시마다 상당한 회전을 준다는 것이다.
사진들에 담기는 특정 구조물들은 화상화 과정에서 인위적인 흔적들을 남기게 되는데 이 구조물이 항상 동일한 위치에 머물러 있다면 그것이 바로 실제 천체가 되는 것이다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 6월 4일자 

 

 

원문>

First Light for SPHERE Exoplanet Imager

Revolutionary new VLT instrument installed

4 June 2014

SPHERE — the Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch instrument — has been installed on ESO’s Very Large Telescope (VLT) at the Paranal Observatory in Chile and has achieved first light. This powerful new facility for finding and studying exoplanets uses multiple advanced techniques in combination. It offers dramatically better performance than existing instruments and has produced impressive views of dust discs around nearby stars and other targets during the very first days of observations. SPHERE was developed and built by a consortium of many European institutes, led by the Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, France, working in partnership with ESO. It is expected to revolutionise the detailed study of exoplanets and circumstellar discs.

SPHERE passed its acceptance tests in Europe in December 2013 and was then shipped to Paranal. The delicate reassembly was completed in May 2014 and the instrument is now mounted on VLT Unit Telescope 3. SPHERE is the latest of the second generation of instruments for the VLT (the first three were X-shooter, KMOS and MUSE).

SPHERE combines several advanced techniques to give the highest contrast ever reached for direct planetary imaging — far beyond what could be achieved with NACO, which took the first ever direct image of an exoplanet. To reach its impressive performance SPHERE required early development of novel technologies, in particular in the area of adaptive optics, special detectors and coronagraph components.

“SPHERE is a very complex instrument. Thanks to the hard work of the many people who were involved in its design, construction and installation it has already exceeded our expectations. Wonderful!” says Jean-Luc Beuzit, of the Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, France and Principal Investigator of SPHERE.

SPHERE’s main goal is to find and characterise giant exoplanets orbiting nearby stars by direct imaging [1]. This is an extremely challenging task as such planets are both very close to their parent stars in the sky and also very much fainter. In a normal image, even in the best conditions, the light from the star totally swamps the weak glow from the planet. The whole design of SPHERE is therefore focused on reaching the highest contrast possible in a tiny patch of sky around the dazzling star.

The first of three novel techniques exploited by SPHERE is extreme adaptive optics to correct for the effects of the Earth’s atmosphere so that images are sharper and the contrast of the exoplanet increased. Secondly, a coronagraph is used to block out the light from the star and increase the contrast still further. Finally, a technique called differential imaging is applied that exploits differences between planetary and stellar light in terms of its colour or polarisation — and these subtle differences can also be exploited to reveal a currently invisible exoplanet (ann13069, eso0503) [2].

SPHERE was designed and built by the following institutes: Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble; Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg; Laboratoire d’Astrophysique de Marseille; Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique de l’Observatoire de Paris; Laboratoire Lagrange in Nice; onERA; Observatoire de Genève; Italian National Institute for Astrophysics coordinated by the Osservatorio Astronomico di Padova; Institute for Astronomy, ETH Zurich; Astronomical Institute of the University of Amsterdam; Netherlands Research School for Astronomy (NOVA-ASTRON) and ESO.

During the first light observations several test targets were observed using the many different modes of SPHERE. These include one of the best images so far of the ring of dust around the nearby star HR 4796A. It not only shows the ring with exceptional clarity but also illustrates how well SPHERE can suppress the glare of the bright star at the centre of the picture.

Following further extensive tests and science verification observations SPHERE will be made available to the astronomical community later in 2014.

“This is just the beginning. SPHERE is a uniquely powerful tool and will doubtless reveal many exciting surprises in the years to come,” concludes Jean-Luc Beuzit.

Notes

[1] Most of the exoplanets currently known were discovered using indirect techniques — such as radial velocity variations of the host star, or the dip in brightness of the star caused by a transiting exoplanet. only a few exoplanets have so far been directly imaged (eso0515, eso0842).

[2] A further, but simpler trick employed by SPHERE is to take many pictures of an object, but with a significant rotation of the image in between each. Features in the pictures that rotate are artefacts of the imaging process, and features that stay in the same place are real objects in the sky.

More information

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• SPHERE science page at ESO
• SPHERE information at Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble
• Photos of the VLT

Contacts

Jean-Luc Beuzit
Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble
Grenoble, France
Tel: +33 4 76 63 55 20
Cell: +33 6 87 39 62 85
Email: Jean-Luc.Beuzit@obs.ujf-grenoble.fr

Markus Feldt
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Germany
Tel: +49 6221 528 262
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