Korea Dark Energy Survey

■ 사업내용

1. 암흑에너지 탐사 배경

1) 물리학과 천문학의 최대 난제

2) 국내외 연구 동향

2. 암흑에너지 탐사 사업 내용

1) 암흑에너지 규명 방법

2) BigBOSS 탐사

3) 추진전략

3. 암흑에너지 탐사 사업으로 인한 한국 학계에의 영향

1) 세계적 수준의 과학 연구

2) 타 program과의 시너지 효과

3) 첨단 관측기기 제작 기술 전수 효과

1. 암흑에너지 규명 방법

암흑에너지는 현재 그 정체가 전혀 알려져 있지 않기 때문에 정체 규명의 첫 단계는 물리적 성질, 특히 상태방정식의 계수 (암흑에너지의 압력-밀도비 w=P/)를 측정하는 것이다. 이 압력-밀도비를 측정하기 위해서는 우주공간의 팽창역사를 관측해야 한다. 공간팽창의 역사를 알아내는 방법으로는 몇 가지가 있는데 la형 초신성과 같이 표준등불을 이용하는 법(2011년도 노벨물리학상 수상)과 중입자 파동(Baryon Acoustic Oscillation, BAO)과 같이 표준자를 이용하는 방법, 무거운 천체를 이용하는 방법 (중력렌즈 현상, 은하단 질량함수 이용) 등이 대표적이다.

이 중에 la형 초신성과 중력렌즈 현상 관측은 LSST가 측광관측을 통해 수행할 예정이다. 그러나 중입자 파동(BAO)이나 은하단 질량함수 측정을 위해서는 대규모 은하 분광탐사관측이 수행되어야 하는데 현재 진행 중인 사업으로는 미국의 국제공동사업 SDSS-III이 있다. 그런데 이 탐사는 비교적 가까운 우주 (z<0.8)까지의 은하들만을 관측하고 있다. 중입자 파동이나 은하단 질량함수를 정밀히 측정하려면 최대한 넓은 공간에서 탐사된 은하 분광관측 자료가 필요하다. 따라서 SDSS-III의 규모를 크게 뛰어 넘는 대규모 은하분광 탐사는 이미 한계에 부딪힌 초신성 방법의 대안으로서 암흑에너지 검출에 대단히 유리할 것으로 예상된다. 한편 이러한 대형 탐사를 통한 우주거대구조 자료는 수치실험을 통해 이론과 정교하게 비교되어야 한다.

2. BigBOSS 탐사

BigBOSS는 대규모 은하분광탐사를 수행하여 중입자파동(BAO)을 정밀하게 측정해서 암흑에너지의 정체와 중력 법칙을 규명하고, 또한 초기우주 밀도요동의 성질(non-Gaussianity)을 밝혀 급팽창(inflation) 가설을 검증하려는 우주탐사 사업이다.

BAO를 측정하기 위해서는 대단히 큰 우주공간을 탐사해야 하는데 첨단 우주탐사기술 발전에 따라 3단계로 나눌 수 있다. 1단계는 적색이동 약 0.4까지 얕은 탐사 (SDSS-LRG 탐사, 완료), 2단계는 적색이동 약 0.7까지의 중간 깊이 탐사 (SDSS-III BOSS탐사, 진행 중), 3단계는 적색이동 약 2.0까지의 깊은 탐사 (BigBOSS탐사, 2014년 시작 예정; ngCFHT 탐사, 2020년 시작 예정) 등이다. BigBOSS와 ngCFHT는 SDSS탐사와 BOSS탐사를 이어 받는 3세대 탐사이다.

BigBOSS (http://bigboss.lbl.gov/)는 북반구에서는 미국 Kitt Peak의 4m Mayall 망원경을, 남반구에서는 칠레의 CTIO 4m 망원경을 사용하고, 5000개의 광섬유로 3도 시야각 안에 들어오는 은하들을 분광관측하고자 하는 야심찬 우주탐사 사업이다. 10년간의 관측을 통해 5천만 개의 은하 분광스펙트럼을 얻고, 1백만 개의 퀘이사 분광스펙트럼을 얻을 계획이다. 2014년부터의 관측 개시를 위해 현재 기기 개발과 과학 과제 개발 중이다.

본 사업에서는 암흑에너지 규명을 위한 첫 탐사 사업으로서 BigBOSS를 선택하고자 한다. BigBOSS는 탐사 사업이 확정되어 전 세계의 여러 기관들이 참여하고 있는 국제공동 우주탐사 사업이며, 검증된 기술로 기기들이 개발 중이기 때문에 위험 부담이 없다. 또한 이 탐사자료로부터 얻을 은하 삼차원 지도 자료는 암흑에너지 규명뿐만 아니라, 인플레이션 가설 검증, 무거운 천체 탄생, 각종 우주계수 측정 등 수많은 과학적 과제를 수행할 수 있는 대단히 유용한 자산이 될 것이다.

한편 BigBOSS의 자료를 보완하는 은하 분광탐사 사업으로서 계획되어 준비 중인 차세대 우주탐사 사업은 ngCFHT (next generation CFHT 망원경) 탐사이다. 하와이에 10m급 망원경을 건설해서 한번에 3200개씩 총 1천만 개의 은하 분광스펙트럼을 5년간 얻을 예정이다. BigBOSS에 비해 좁은 영역에서 우주를 탐사하지만 겉보기 등급 g=23.1보다 밝은 모든 운하를 관측하기 때문에 자료의 은하 밀도가 높아서 BAO 측정뿐 아니라 은하단 질량 함수 측정 등을 통한 암흑에너지 연구도 할 수 있다. 본 사업에서는 BigBOSS 자료를 보완하기 위해 추후 ngCFHT 사업에 가능한 한 참여하고자 한다.

3. 추진전략