LARES 미션, 1% 라인스‑터링 효과 측정은 과연 가능한가

초록

본 논문은 이탈리아 우주청이 승인한 LARES 위성을 이용해 지구 중력장에 의한 라인스‑터링 효과를 1 % 수준으로 측정하려는 계획을 비판적으로 검토한다. 저자는 정적 짝대조 조화계수(J₂, J₄, …)의 불확실성을 최신 GRACE 기반 중력모델 간 차이를 이용해 보수적으로 추정하고, LARES가 저궤도(반지름≈7600 km)와 다양한 궤도경사(i≈60–90°)에서 발생할 수 있는 시스템오차를 정량화한다. 결과적으로 짝대조 조화계수 오차가 1 % 목표보다 5~10배 크게 될 가능성이 높으며, 고차 짝대조 항까지 고려하면 오차는 더욱 악화된다.

상세 분석

논문은 라인스‑터링 효과 측정을 위해 기존 LAGEOS·LAGEOS II와 새로 발사될 LARES의 궤도노드 전진률을 선형 결합하는 방식을 채택한다(식 2). 이 결합은 J₂와 J₄의 기여를 이론적으로 소거하도록 설계되었지만, 고차 짝대조 항(J₆, J₈, …)은 여전히 남는다. 저자는 이러한 고차 항에 대한 불확실성을 기존 연구에서 흔히 사용된 개별 모델의 공분산 행렬 σ_Jℓ 대신, 서로 다른 GRACE 기반 중력모델(예: GGM02S, GGM03S, ITG‑Grace02s, ITG‑Grace03s, EIGEN‑GRACE02S) 사이의 계수 차이 ΔCℓ0=|Cℓ0(X)−Cℓ0(Y)|를 직접 이용해 보수적으로 추정한다.

LARES의 예정 궤도 반지름 a≈7600 km(또는 7000 km)와 이심률 e≈0.001은 기존 LAGEOS(≈12270 km)보다 훨씬 낮아, 짝대조 항의 위력(ℓ에 대한 a^(−(ℓ+1)/2) 의 의존도)이 크게 증가한다. 특히 i≈70°에서 최적화된 경우에도 ℓ=20까지 고려했을 때 시스템오차 δμ는 3–4 % 수준이며, i를 85°89°와 같은 거의 극궤도로 바꾸면 오차는 5 % 이상으로 급증한다. 저자는 ℓ>20 항까지 포함하면 오차가 추가로 23배 정도 더 커질 수 있음을 간단히 계산해 제시한다.

또한, 결합계수 c₁, c₂는 궤도경사에 민감하게 변하며, 극근접 궤도에서는 비중력 요인(태양·달 조석, 대기 저항, 전자기 토크 등)의 영향이 증폭된다. 저자는 이러한 비중력 교란을 0.1 % 이하로 억제하려면 LARES의 표면 설계·재질, 회전 상태, 레이저 추적 정확도 등을 엄격히 관리해야 함을 강조한다.

결과적으로, 현재 제시된 저궤도·경사 조합에서는 짝대조 조화계수 불확실성이 1 % 목표를 크게 초과하며, 모델 간 차이를 이용한 보수적 오류 추정이 필요함을 설득력 있게 입증한다.