젊은 우주공간으로 다가가는, 제임스웹 망원경

허블 망원경에 이은 차세대, 제임스웹 망원경

대기권 밖에서 적외선 위주의 관측

초기우주, 별과 행성에 대한 비밀을 풀어줄 열쇠

[Shorts] https://www.youtube.com/shorts/eWSS1p_13Bs

 

2022년에 미국 항공우주국(NASA)이 발사한 제임스웹(James Webb) 우주망원경은 역대 가장 강력한 우주망원경으로, 대형 적외선 우주망원경이다. 제임스웹 망원경은 허블 우주망원경보다 뛰어난 스펙·성능을 통해 획기적인 관측과 발견을 해낼 것이라는 큰 기대를 받고 있는데, 기대되는 부분들을 알고 나면 앞으로 우주와 관련된 뉴스를 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 오늘은 기존의 허블 망원경과 제임스웹 망원경을 비교해보자.

 

뛰어난 우주망원경들, 허블·제임스웹

20세기초 우주·은하의 팽창을 관측한 에드윈 허블(Edwin Hubble)의 이름을 딴 허블 망원경은 기다란 원통형의 모습을 하고 있으며, 원통 좌우에 설치된 태양전지를 통해 에너지를 충전받는다. 1990년 4월 우주왕복선 디스커버리호에 실려 지상 610km 위의 지구궤도에 안착한 이후, 지구를 돌면서 지금까지 우주를 관측하고 있다. 허블 망원경의 관측을 통하여 우주 나이를 10% 오차범위 내로 계산할 수 있었으며, 우주가 그저 빈 공간이 아닌 암흑에너지로 가득 차 있다는 사실도 알게 되었다. 우주환경(지구궤도)에 노출되어 있는 허블 망원경은 정기적인 점검·수리가 필요한데, 모래 크기 정도의 작은 운석들이 몸체·관측기기와 계속적으로 충돌하고 있다. 이러한 잦은 충돌은 햇빛과 극한의 온도로부터 몸체를 보호하는 단열재를 계속 손상시킨다. 태양계 밖의 다른 은하계의 행성들을 오랫동안 관찰해 온 허블 망원경은 2026년 경 차세대 적외선 망원경인 로먼(Roman) 우주망원경이 발사되면서, 36년이라는 현역활동을 마감할 것으로 예상된다.

NASA의 2대 국장의 이름을 딴 제임스웹 망원경은 허블 망원경으로는 관측할 수 없는 더 먼 우주를 볼 수 있는 망원경을 만들어 보자는 취지로 개발되었다. 가시광선 보다는 적외선 관측능력이 더 뛰어나도록 설계하였는데, 이는 먼 천체에서 나오는 빛은 오는 동안 빛의 형태가 왜곡될 수 있으며, 우주먼지 등에 의해 가시광선에 노이즈가 낄 수 있어 우주관측에 있어서는 적외선이 더 유리하기 때문이다. 본체 위에 달린 18개 벌집모양의 금색주경(golden-plated mirrors)은 단순 원통형의 허블 망원경과는 뚜렷한 외관차이를 보여준다. 그리고 지구궤도에 위치한 허블 망원경과는 달리, 제임스웹 망원경은 더 멀리 떨어진 지점인 라그랑주 앞지점(Lagrange point)에 위치한다. 이는 지구 대기권 밖에서 광학적 노이즈를 피할 수 있도록 하고, 지구에 인위적인 빛오염을 받지 않을 수 있도록 하기 위함이다.

제임스웹 우주망원경 그림 [출처:NASA]

망원경의 성능은 주경(primary mirror)의 크기에 따라 좌우되는데, 제임스웹 망원경의 성능은 지름 2.4m 주거울 1개를 가진 허블 망원경에 비하여 100배 정도 더 우수하다고 한다. 제임스웹 망원경은 1.3m 육각형의 주경 18개를 연결하여 총직경이 6.5m에 달하는데, 2.7배의 주경크기와 7.3배의 주경넓이의 차이가 더욱 더 먼 우주를 관측할 수 있게 하는 것이다. 물리적인 차이 외에도 촬영하는 빛의 영역에서 차이가 난다. 가시광선·근적외선으로 관측하는 허블 망원경에 비해, 주로 적외선으로만 촬영하는 제임스웹 망원경은 다양한 왜곡을 최소화 할 수 있다. 실제로 제임스웹 망원경이 촬영한 사진들을 보면 이전보다 뿌연 노이즈들이 깔끔하게 제거된 것을 확인할 수 있다. 제임스웹 망원경으로부터 기대할 수 있는 부분은 다음과 같다.

은하 NGC1433를 허블 망원경 사진(왼쪽)과 제임스웹 망원경 사진(오른쪽) [출처:NASA]

기대 1) 초기우주에 대한 관측

빅뱅 직후 초기단계의 우주를 관측할 수 있는데, 이는 과학자들이 은하의 형성과 시간에 따른 우주의 진화를 연구할 수 있게 해준다. 2023년 1월 제임스웹 망원경은 초기우주에서의 은하수의 생김새를 발견했다고 발표하면서, 나선팔 사이에 길게 뻗은 막대가 존재하는 막대나선구조를 보여줬다. 하지만 젋은 은하에게서 막대나선구조가 발견 된 것은 처음이었고, 이는 은하의 진화 초기에 별의 생성을 가속화하기 위한 새로운 경로(막대)를 가질 수 있다는 것을 의미했다. 이 새로운 이미지가 우주진화에 대한 생각을 흔든 것이다. 제임스웹 망원경은 약 110억년 전에 존재했을 은하 EGS-24268를 처음으로 관측하기도 하였다.

기대 2) 새로운 행성의 발견

태양계 밖의 별들을 공전하는 외계행성들을 탐지할 수 있을 것이다. 현재의 우주망원경들로 관측할 수 있는 것보다 작고 차가운 행성을 탐지할 수 있고, 그 행성의 대기구성도 분석이 가능하다. 지금까지는 NASA의 외계행성탐사위성(TES)이 수집한 데이터를 통해 외계행성이 존재할 수 있음을 시사하는 단계였다면, 제임스웹 망원경은 외계행성을 직접 관찰할 수 있다. 2023년 1월 발표에 따르면, 제임스웹 망원경이 태양계 밖에 위치한 지구 크기의 행성인 LHS475b의 존재를 확인하였고, 이 행성대기를 확인하기 위해 여러 파장의 빛에 걸쳐 제임스웹 망원경을 이용했다고 한다.

기대 3) 별과 행성의 형성에 대한 연구

지구의 밤하늘에서 보이는 은하수가 바로 우리은하의 모습이고, 당연하게도 인류가 발견한 최초의 은하이다. 내부에서 바라보고 있기에 우리 은하의 전체적인 모습을 정확히 알 수는 없지만, 나선팔을 가진 막대나선 은하로 알려져 있다. 제임스웹 망원경은 우리은하 내의 항성과 행성계의 형성을 연구할 수 있을 뿐만 아니라, 태양계 내의 물체들도 관찰할 수 있을 것이다.  행성계(planetary system)는 항성이 아닌 천체들(행성·소행성·자연위성·유성체·혜성·우주먼지 등)이 항성 주위를 공전하는 체계를 말하는데, 태양의 중력에 속박되어 있는 행성계를 태양계라 한다. 실제로 제임스웹 망원경은 이웃의 왜소은하 내에 위치한 별 형성영역인 NGC 346(소마젤란 구름) 내부를 관찰하는데 사용되었다. 우주정오의 은하는 수천 개 이상으로 추정되며, NGC 346의 관찰 결과는 우주 정오에 있었던 상태를 조사할 수 있는 좋은 기회가 될 것이다. 빅뱅 이후 약 20~30억년이 지난 시점에 은하는 별을 형성하는 불꽃으로 가득 찼었고, 이 별들의 생성의 절정을 우주정오(cosmic noon)라고 부른다. 별이 형성되는 과정에서 주변 분자구름이 리본 모양의 가스·먼지를 끌어당기는 것을 볼 수 있는데, 이 물질들이 별 그리고 결국에는 행성의 형성의 기초가 되고 가속화시킨다.

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기술진보(잠재력)에 뒤따르는, 문제

 

획기적인 발견을 할 수 있는 제임스웹 망원경의 잠재력에 대해 크게 기대하고 있지만, 몇 가지 알려지지 않은 문제들이 여전히 남아 있다. 우주망원경은 현재의 과학기술을 총망라한 매우 복잡한 기술장치라서 성능에 영향을 미칠 수 있는 기술적 결함이나 오작동 가능성이 항상 존재한다. 게다가 지구에서 멀리 떨어져 있어서 어떤 문제가 발생할 경우 서비스·수리를 하기가 어렵다. 허블 망원경보다 훨씬 더 강력한 관측능력을 가지고 있지만, 관측할 수 있는 것에는 여전히 한계가 있다. 가령 항성·행성의 형성 초기단계를 볼 수 없거나, 특정한 유형의 외계행성을 발견할 수 없을 수도 있다. 또한 막대한 예산이 투입되는 우주관측임무가 편익의 편중문제를 일으켜, 공익배분의 적정성이라는 이슈를 만들 수도 있다. 우주천문학 영역에 대해서 천문학자들과 우주애호가들은 큰 관심을 가지고 있지만, 대중들은 우주망원경의 관측임무에 대해 관심이나 지지를 할 것인지는 의문이다. 

몇몇 문제가 잠재되어 있지만, 제임스웹 망원경이 만들어 낼 획기적인 발견과 기존 우주이론에 관한 도전은 많은 지구인들에게 큰 기대와 흥분을 심어주고 있다. 이를 바꿔 말하면 현재의 우리는 제임스웹 망원경이 발견할 모든 것을 지금으로써는 예측할 수 없다는 것을 의미하기도 한다. 우주는 또 어떠한 신비로움과 동시에 과제를 안겨줄까.

 

[Music] 관측되지 않은 저 편

https://www.youtube.com/watch?v=RNAkZ_Aq06Y

The unobserved side #관측되지 않은 저 편