NASA의 소행성 샘플 채취 후 귀환 계획 : OSIRIS-REx 미션 - 베뉴의 여행

Image Credit: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

 

 

파괴적인 충돌의 파편들로부터 태어나 행성들의 중력에 의해 해체되고 수백만년동안 우주공간에 내처진 소행성 베뉴는 초기 태양계에서 고단한 삶을 살았다.

 

NASA 고다드 우주비행센터에서 제작한 새로운 애니메이션 "베뉴의 여행(Bennu's Journey)"은 베뉴의 일생과 태양계의 기원에 대해 무엇이 알려진 사실이고 무엇이 여전히 미스테리의 영역으로 남아있는지를 보여준다.

 

NASA의 소행성 샘플 채취 후 귀환 미션인 OSIRIS-REx(기원, 스펙트럼 해석, 자원식별, 안전보장 - 토양 탐사, Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security - Regolith Explorer) 미션의 부수석 연구원인 아리조나 대학 에드워드 베쇼어(Edward Beshore)는 태양계 진화의 전과정에 대해 이 소행성이 증언하는 것이 무엇인지를 알기 위해 소행성 베뉴에 갈 예정이라고 말했다.

 

이 미션에 의하면 우주선은 2016년 후반에 발사되어 2018년에 소행성 베뉴에 도착하고, 베뉴의 표토를 채취한 후 2023년 지구로 귀환하도록 되어 있다.

 

베쇼어의 소감은 다음과 같다.
"베뉴의 경험은 우리 태양계가 어디서 왔으며 어떻게 진화해왔는지에 대해 더 많은 것을 말해주게 될 것입니다. 
범죄현장에서 증거를 찾듯이 우리는 베뉴로부터 획득한 증거를 분석하여 궁극적으로 우리의 기원에 대한 이야기를 담고 있는 태양계의 이야기를 보다 완전하게 이해하게 될 것입니다."

 

이 동영상은 우리은하의 모습으로부터 시작하여 죽어가는 별의 폭발이 뿜어낸 광활한 가스와 먼지 구름의 성운 속으로 이동한다.

 

베쇼어에 따르면 미리내의 다른 별 생성 구역에 대한 관측으로부터 과학자들은 우리 태양계가 어떻게 형성되었는지에 대한 기초적인 윤곽을 잡을 수 있다고 한다.

 

동영상에서 보여주듯이 지근거리의 별이 폭발하면서 성운 내의 물질들에 균열을 일으켰고, 이로부터 자체 중력하에 특정 부분의 붕괴가 촉발되면서 갓 태어난 태양 주위를 둘러싸는 먼지 원반이 만들어졌다.

 

이 원반 내에서 먼지 파편들은 섬광을 뿜어내며 가열되어 암석들을 녹이고 이것이 다시 가열되면서 우리 태양계를 형성하는 기본 벽돌인 콘드롤(chondrule, 콘트라이트에 함유되어 있는 둥근입자)이 되었다.
애니메이션에서 콘드롤들은 전자기장과 중력에 의해 서로 뭉쳐지면서 소행성이나 행성이 되었다.
콘드롤은 베뉴를 구성하고 있는 주요 성분일 것이다.

 

베쇼어의 설명은 다음과 같다.
"우리 지구와 같은 행성들에서 기초 물질들은 지각활동과 대기 및 물과의 화학적 반응에 의해 완전한 변형을 겪었을 것입니다.
하지만 베뉴의 경우, 우리 생각으로는,  상대적으로 변화의 과정을 덜 거쳤고, 따라서 이 소행성은 우리가 탐사해볼만한 타임캡슐이라고 할 수 있습니다."
 

베뉴로부터 채취한 샘플을 분석함으로써 OSIRIS-REx 팀은 우리 태양계 어디서든 발견할 수 있는 가장 원초적인 물질들을 검사할 수 있게 될 것이다.

 

베뉴는 또한 갓 태어난 태양계에서 생성된 유기 물질들을 품고 있을 수도 있다.
유기물질들은 지구 생명체의 기초가 되는 원초적인 형태의 탄소와 수소를 포함한 분자들로 만들어져 있다.
과학자들은 베뉴에서 발견되는 어떤 유기 물질이라도 분석을 통해 생명의 기원에서 일정 역할을 수행했을 태양계 생성 초기의 물질을 제공받게 될 것이다.

 

 

베쇼어의 설명은 다음과 같다.
"이 물질을 다시 지구로 가져옴으로써 우리는 크기나 질량, 에너지 소비의 한계를 가진 우주선의 탑재 장비보다 훨씬 더 많은 분석을 할 수 있게 됩니다.
우리는 또한 지금 우리로서는 상상할 수 없는 장비와 능력을 갖출 미래세대의 연구를 위해 이 물질들을 보관할 수도 있죠."

 

이 미션은 또한 NASA의 소행성 방향 전환 미션(Asteroid Redirect Mission, ARM)에도 공헌하게 될 것이다.
ARM 미션은 지구 근접 소행성을 식별하고 포획하며 달 주위의 안정적인 궤도로 방향을 전환하여 이곳에서 우주비행사들에 의해 2020년 탐사가 진행된 후 샘플을 채취하여 귀환할 계획을 수립하고 있다.  

ARM은 미래에 인류를 화성으로 보내는데 필요한 보다 진보된 기술을 계획하는 일환이기도 하다.

 

OSIRIS-REx 또한 잠재적으로 위협이 되는 지구 근접 천체의 개체 수를 이해하려는 우주항공국의 노력을 지원하게 될 것이며, 미래의 소행성 탐사 미션에 적합한 천체를 찾는데도 도움을 줄 것이다.

 

태양계의 초기는 혼동 그 자체였다.
내태양계 전역의 거대한 충돌 크레이터들은 당시 "지연된 집중 포격"이 있었음을 말해주고 있다.
이때의 소행성들은 거의 41억년 전에서 38억년 전 사이에 존재하는데 이 때는 바로 지구에서 생명이 시작되던 때였다.

 

이 동영상은 이에 대한 가설을 묘사하고 있다.
무거운 질량을 가진 가스 행성인 목성이 바깥 쪽에 존재하는 거대한 가스 행성들과의 중력 상호작용으로 인해 태양쪽으로 이동한다.
목성의 중력은 소행성 벨트를 흔들어놓게 되고, 이로인해 밀려난 소행성들이 태양쪽으로 이동하면서 지구를 포함한 암석질 행성들과 충돌하게 된다.

 

이러한 소행성 폭격은 초기 지구에서 유기물질들과 물의 중요한 원천이 되었을 것이다.
이러한 대규모 폭격이후 잠시 동안 진정기가 찾아왔지만 무거운 질량을 가진 천체들의 충돌은 여전히 이따금씩 발생하고 있었다.
동영상에서 묘사하듯 이러한 일은 10억년 전 소행성과 미행성들간에 발생하였다.

 

과학자들은 이와 같은 충돌이 베뉴를 탄생시키게 되었을 것으로 생각하고 있다.
그리고 동영상에서는 충돌의 와중에 약한 중력하에서 서로 합체된 잡석들에 의해 소행성들이 만들어진 것으로 묘사하고 있다.

 

베쇼어에 의하면 베뉴의 밀도에 대한 측정 결과는 베뉴의 밀도가 바윗돌보다 낮으며 따라서 과학자들은 소행성의 내부가 비어있을 것으로 추측하고 있다고 한다.
이와 같은 소행성들을 일컬어 "잡석 퇴적체(rubble pile)"라 한다. 이는 둥근 바윗돌과 암석, 먼지들이 느슨하게 뭉쳐있는 천체를 말한다.

 

베뉴는 또한 완전히 어두운 소행성이다.
더운 여름날의 아스팔트 도로처럼 이 소행성은 태양빛의 대부분을 흡수하고 이후 이 에너지를 열로서 발산한다.
이러한 복사는 베뉴를 미세하게 밀어내는 이른바 야코브스키 효과(Yarkovsky effect)를 만들어내고 이로인해 서서히 공전궤도의 변화가 일어난다.

 

이 애니매이션은 어떻게 베뉴가 야코브스키 효과에 의해 이른바 토성과의 중력 공명 지점으로 이동하게 되는지를 보여주고 있다.
이 공명지점에서 주기적으로 발생하는 척력에 의해 베뉴는 내태양계로 밀려나게 되고, 이곳에서 금성 및 지구와의 근접을 반복하게 된다.
이 소행성이 지구 또는 금성의 지근거리를 지나게 되면 쌓여있는 잡석들이 떨어져나가게 되고 안쪽에 있는 잡석들이 위로 드러나면서 소행성의 모습을 바꾸어놓게 된다.

 

베쇼어에 의하면 베뉴는 점점 지구와 가까워지게 되고, 2500분의 1 정도로 낮은 확률이긴 하지만 22세기 말에 지구와 충돌하게 될 가능성이 있다고 한다.
 

베쇼어의 설명은 다음과 같다.
"우리는 OSIRIS-REx가 이 소행성 주위를 공전할때, 베뉴에 작용하고 있는 야코브스키 효과에 대한 정밀한 측정치를 얻게 될 것입니다.
게다가 우주선에 탑재된 장비들은 이 소행성의 구성성분이나, 표면에 흐르는 에너지, 기온, 베뉴의 지형과 같은 야코브스키 효과를 만들어내고 있는 모든 요소들을 완벽하게 측정하게 될 것입니다.
언젠가 천문학자들이 지구에 명백한 위협이 될만한 소행성을 발견하게 되면,  대응을 위한 첫번째 단계는 그 소행성에 대해 더 많은 정보를 모으는 것이 될 것입니다.
다행스럽게도 OSIRIS-REx 미션은 이러한 작업에 필요한 경험과 도구들을 제공해 주게 될 것입니다."

 

이 동영상은 소행성의 오랜 기이한 여행과 아마도 우리의 기원과 태양계의 비밀을 밝혀줄 여행을 떠난 OSIRIS-REx 우주선이 베뉴 주변의 공전궤도에 진입하는 것으로 끝이난다.
 

* 출처 : NASA Solar System Exploration 2014년 11월 18일 News Release
           http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=48445           
          

참고 : 각종 소행성과 태양계 소천체에 대한 포스트는 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
        왜소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346957
        소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346956
        혜성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346955
        유성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346954

 

 

 

원문>

New Animation Follows Long, Strange Trip of Bennu - Target of NASA's Asteroid Sample Return Mission
18 Nov 2014
(Source: NASA/GSFC)

Born from the rubble of a violent collision, hurled through space for millions of years and dismembered by the gravity of planets, asteroid Bennu had a tough life in a rough neighborhood: the early solar system. "Bennu's Journey," a new animation created at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, shows what's known and what remains mysterious about the life of Bennu and the origin of the solar system.

"We are going to Bennu because we want to know what it has witnessed over the course of its evolution," said Edward Beshore of the University of Arizona, Deputy Principal Investigator for NASA's asteroid-sample-return mission OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security - Regolith Explorer). The mission will be launched toward Bennu in late 2016, arrive at the asteroid in 2018, and return a sample of Bennu's surface to Earth in 2023. "Bennu's experiences will tell us more about where our solar system came from and how it evolved. Like the detectives in a crime show episode, we'll examine bits of evidence from Bennu to understand more completely the story of the solar system, which is ultimately the story of our origin."

The video opens with an establishing shot of the galaxy and moves in to a nebula - a vast cloud of gas and dust ejected from the explosions of dying stars. From observations of other star-forming regions in our galaxy, scientists have a good idea of the basic outlines of how our solar system came to be, according to Beshore. As shown in the animation, a nearby exploding star disrupts material in the nebula, causing part of it to collapse under its own gravity and form a disk of material surrounding the infant Sun.

Within this disk, bits of dust are flash heated to molten rock and solidify to become chondrules -- some of the building blocks of the solar system. Chondrules are shown in the animation as they clump together via electrostatic and gravitational forces to become asteroids and planets.

Chondrules may make up a large part of the material in Bennu. on planets like Earth, the original materials have been profoundly altered by geologic activity and chemical reactions with our atmosphere and water. We think Bennu may be relatively unchanged, so this asteroid is like a time capsule for us to examine," said Beshore. By analyzing the sample collected from Bennu, the OSIRIS-REx team will be able to examine some of the most pristine material to be found anywhere in the solar system.

Bennu may also harbor organic material from the young solar system. Organic matter is made of molecules containing primarily carbon and hydrogen atoms and is fundamental to terrestrial life. The analysis of any organic material found on Bennu will give scientists an inventory of the materials present at the beginning of the solar system that may have had a role in the origin of life. "By bringing this material back to Earth, we can do a far more thorough analysis than we can with instruments on a spacecraft, because of practical limits on the size, mass, and energy consumption of what can be flown," said Beshore. "We will also set aside returned materials for future generations to study with instruments and capabilities we can't even imagine now."

The mission also will contribute to NASA's Asteroid Redirect Mission (ARM), which will identify, capture and redirect a near-Earth asteroid to a stable orbit around the moon, where astronauts will explore it in the 2020s, returning with samples. ARM is part of NASA's plan to advance new capabilities needed for future human missions to Mars. OSIRIS-REx also will support the agency's efforts to understand the population of potentially hazardous near-Earth objects and characterize those suitable for future asteroid exploration missions.

The early solar system was quite chaotic. Giant impact craters throughout the inner solar system indicate there may have been a "late heavy bombardment" by asteroids approximately 4.1 billion to 3.8 billion years ago, right around the origin of life on Earth. The video illustrates one theory for this. The massive "gas giant" planet Jupiter began to migrate inward closer to the Sun due to gravitational interactions with the outer gas giant planets. Jupiter's gravity disrupted the asteroid belt, tossing many asteroids closer to the Sun, where some collided with the terrestrial planets, including Earth. This asteroid bombardment may have been a significant source of organic matter and water for the early Earth.

After this bombardment, things calmed down a little, but massive collisions still happened occasionally, like the one the video shows happening between an asteroid and a planetesimal about one billion years ago. Scientists think a collision like this may have resulted in the birth of Bennu, and the video illustrates the asteroid forming as some of the rubble from the collision slowly coalesces under its own weak gravity.

Measurements reveal that Bennu's density is less than that of rock, so scientists think the asteroid may have voids in its interior, according to Beshore. An asteroid like this is called a "rubble pile" -- a loosely bound collection of boulders, rock, and dust.

Bennu is also quite dark. Like an asphalt road on a hot day, it absorbs most of the sunlight that hits it and later radiates this energy away as heat. This radiation gives Bennu a tiny push, called the Yarkovsky effect, which gradually changes its orbit over time. The animation shows how the Yarkovsky effect causes Bennu to migrate until it encounters a so-called gravitational resonance with the planet Saturn. Regular tugs by this resonance eventually push Bennu into the inner solar system, where it has repeated close encounters with Venus and Earth. These encounters pull apart the rubble pile that is Bennu, turning it inside out and reshaping the asteroid.

Because Bennu comes close to Earth, there is a tiny chance - about 1 in 2,500 - that it could hit Earth late in the 22nd century, according to Beshore. "We'll get accurate measurements of the Yarkovsky effect on Bennu by precisely tracking OSIRIS-REx as it orbits the asteroid," said Beshore. "In addition, the instrument suite the spacecraft is carrying is perfectly suited to measure all the things that contribute to the Yarkovsky effect, such as composition, energy transport through the surface, temperature, and Bennu's topography. If astronomers someday identify an asteroid that presents a significant impact hazard to Earth, the first step will be to gather more information about that asteroid. Fortunately, the OSIRIS-REx mission will have given us the experience and tools needed to do the job."

The animation ends with the OSIRIS-REx spacecraft entering orbit around Bennu to tell the tale of the asteroid's long, strange trip, a journey that promises to reveal the secrets of the solar system and perhaps our own origins.

The animation is among the most highly detailed productions created by Goddard's Conceptual Image Laboratory (CI Lab), and as such presented significant challenges to realize. Rendered in an 8 by 3 Cinemascope aspect ratio at 5,670 by 2,180 pixels, it has even higher resolution than the 4K "Ultra High Definition" (4K UHD) resolution now being introduced as the next-generation high-definition television format.

"This was done for two reasons; first, with the cinemascope aspect ratio we could take advantage of the extra screen room for a more cinematic design and it would also play well on larger-format screens like IMAX and NASA's hyperwall," said CI Lab Senior Animator Walt Feimer, who was also a producer on the project. "The second advantage was by mastering at the higher resolution we only had to render one time. By keeping the action in the animation in the 16 by 9 aspect ratio, we could cut the animation down to 4K UHD and from there it could be scaled to any of our usual animation products."

One of the major challenges in the movie was with the texture maps; since the format was so large the textures had to dramatically increase in size to hold up at resolution without breaking down visually, according to Feimer. The team also spent a lot of time creating the look and feel of the gases used in the nebula and early solar system scenes.

The enormous size of the animation required significant computer time to render, so it was important to minimize changes through close coordination among the science team, the production team, and the script writers.

"Ed Beshore and Dante Lauretta, the OSIRIS-REx Principal Investigator, held a series of early meetings with me and the animation team - Walt Feimer and Michael Lentz - to discuss the history of Bennu and sketch out the video's narrative arc," said Daniel Gallagher of Goddard Media Studios, a writer and a producer on the project. "Then Walt and Michael began creating storyboards and I began writing narration, based on our meetings and on various science articles. The earliest scripts were densely packed with information but didn't quite capture the epic feel that we were aiming for, so we brought in fellow writer/producer Michael Starobin to rethink the tone of the narration. After some back and forth, the team arrived at a script that retained the most important points scientifically, but also delivered them in a more epic, evocative voice."

"Through a lot of collaborative back-and-forth effort with Dante and Ed we defined the story we wanted to tell and created our shot list," adds Feimer. "We ended up with 31 different shots. Spending the extra time upfront on the storyboards really paid off. It kept changes to a minimum and in the end we only added two shots and dropped one."

The team's efforts have resulted in a signature animation that explains how exploring an asteroid can shed light on how we came to be.

The animation was funded by the OSIRIS-REx project. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., will provide overall mission management, systems engineering, safety and mission assurance for OSIRIS-REx. Dante Lauretta is the mission's principal investigator at the University of Arizona. Lockheed Martin Space Systems in Denver will build the spacecraft. OSIRIS-REx is the third mission in NASA's New Frontiers Program. NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages New Frontiers for the agency's Science Mission Directorate in Washington.

For more images, posters, and a 3D-printable model of Bennu, refer to the Bennu's Journey resource page at:

http://svs.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/details.cgi?aid=20218
Bill Steigerwald
NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland
william.a.steigerwald@nasa.gov