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유성은 지구 대기를 정기적으로 강타하며 파괴적인 영향을 미칠 수 있습니다. 과학자들은 NASA 우주선이 지구로 귀환할 때 발생하는 충격파를 수 킬로미터 길이의 광섬유 로 분석했다고 밝혔습니다. 이는 기존 통신 광섬유망이 지구에 끊임없이 영향을 미치는 자연적인 우주적 영향을 밝히는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.
매년 약 10만 톤의 유성이 지구에 초음속(최대 시속 약 26만 2천 킬로미터)으로 떨어집니다. 과학자들은 유성의 궤적을 더욱 자세히 분석하여 유성이 초래할 수 있는 위험에 대해 더 자세히 알고 싶어 하지만, 유성의 일반적으로 예측 불가능한 특성 때문에 이는 어렵습니다.
대기 중에서 불타는 유성을 촬영한 NASA 이미지입니다.
광섬유 케이블은 솔루션을 제공합니다
이 문제를 해결할 수 있는 기회가 NASA의 오리진, 스펙트럼 해석, 자원 식별 및 보안-레골리스 탐사선(OSIRIS-REx) 임무의 복귀와 함께 찾아왔습니다. 2016년에 발사된 OSIRIS-REx는 2020년 소행성 베누에 착륙하여 수집한 샘플을 캡슐에 실어 지구로 귀환했고, 2023년 9월 24일 미국 국방부 유타 시험 및 훈련장에 안전하게 착륙했습니다. 이 귀환의 알려진 시점과 궤적 덕분에 과학자들은 캡슐이 하강하는 동안 센서 배열을 배치하여 분석할 수 있는 드문 기회를 얻었습니다.
새로운 연구에서 뉴멕시코주 로스앨러모스 국립연구소와 포트 콜린스에 있는 콜로라도 주립대학교의 연구진은 광섬유 케이블을 사용하여 OSIRIS-REx가 하늘을 가로지르는 음파를 감지했습니다. 연구진은 분산 음향 감지(distributed acoustic sensing)라는 전략을 사용했는데, 이전 연구에서는 이 전략이 지진과 월진에서 발생하는 지진파를 감지할 수 있다는 것을 발견했습니다.
분산 음향 센싱이란?
분산 음향 센싱은 광섬유를 통해 레이저 광 펄스를 전송하고 광섬유의 결함에서 반사되는 신호의 강도를 분석합니다. 음향파에 의해 광섬유가 약간 늘어나거나 줄어들면 반사되는 신호가 달라질 수 있습니다.
지난 10년 동안 분산 음향 센싱 기술의 발전은 시추공에서의 틈새 용도를 넘어 다른 응용 분야로까지 확장되었습니다. 로스앨러모스의 물리학자 칼리 도나휴는 "분산 음향 센싱은 일반적으로 지구와 같은 고체나 바다와 같은 액체에서 이동하는 진동을 감지하는 데 사용되지만, 공기 중에서 이동하는 음파에는 덜 자주 사용됩니다."라고 말합니다.
오시리스-렉스(OSIRIS-REx)가 귀환하기 전, 과학자들은 네바다주 유레카 인근 두 지점 사이의 비포장도로를 따라 12km의 광섬유 케이블을 설치했습니다. 또한 6쌍의 지진계와 초저주파 센서를 활용하여 분산형 음향 센서의 정확성과 신뢰성을 검증했습니다.
연구원들은 2023년 OSIRIS-REx 우주선이 지구로 돌아올 때를 감지하기 위해 광섬유 케이블 네트워크를 조립하는 데 급히 노력했습니다. Elisa McGhee가 촬영한 사진
"도착하기 5개월 전에야 그 기회에 대해 알게 되었기 때문에 서둘러 팀을 구성하고 계획을 세우고 필요한 모든 장비를 준비해야 했습니다."라고 도나휴는 말합니다. "네바다주 유레카는 '미국에서 가장 외딴 길에 있는 가장 친절한 마을'로 알려져 있고, 대도시와는 거리가 멉니다. 그래서 필요한 모든 장비를 직접 준비해야 했습니다."
이전 연구에 따르면 광섬유를 매설하면 분산형 음향 센서가 바람으로 인해 받는 소음을 줄일 수 있습니다. 그러나 광섬유의 상당 부분이 몇 달 전에 주문되었음에도 불구하고, 실험 시작 며칠 전에야 도착했습니다. 도나휴는 이렇게 제한된 시간 때문에 "매설이 불가능했기 때문에 표면에 매설했습니다."라고 말합니다.
도나휴는 "센서 테스트 결과 움직이는 차량, 비행기, 그리고 개인으로부터 다양한 신호가 감지되어, 이러한 배경 신호가 우주선의 신호를 완전히 가릴 수 있다는 우려가 제기되었다"고 말했습니다. 과학자들은 이를 완화하기 위해 주 경찰과 협력하여 재돌입 시간 동안 교통을 일시적으로 중단했습니다.
"분산형 음향 센서와 같은 광섬유 센서를 사용하여 우주선 재돌입을 기록하는 것은 이전에 시도된 적이 없었기 때문에 뉴멕시코에서 네바다까지 이동했는데 아무런 결과도 나오지 않을까 봐 매우 걱정했습니다."라고 도나휴는 말합니다. "두 지점 모두에서 재돌입을 감지했을 뿐만 아니라, 소닉붐이 전파되는 과정에서 어떻게 진화했는지에 대한 통찰력을 제공하는 풍부한 데이터세트까지 기록하게 되어 매우 기뻤습니다." 지진계와 초저주파 센서도 유사한 값을 기록했습니다.
도너휴는 지구 대기권에 진입하는 물체를 분석하는 미래의 분산형 음향 감지 캠페인에서는 기존의 통신용 광섬유나 특히 음속 붐이나 지진파를 측정하도록 설계된 광섬유를 활용할 수 있다고 제안했습니다.
(IEEE Spectrum에서 발췌, Fibermart에서 편집 및 재인쇄)
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