차세대 우주 망원경이 온다 - 제임스 웹 우주 망원경

 

 이전 포스트에서 허블 우주 망원경이 마지막 수리를 마치고 앞으로 몇년간 활약하다가 결국 대기권에서 폐기 될 것이라는 포스트를 작성한바 있다. (http://blog.naver.com/jjy0501/100064768569 참조) 하지만 너무 아쉬워할 필요는 없다. 차세대 우주 망원경인 제임스 웹 우주 망원경이 허블 우주 망원경을 뛰어넘는 강력한 성능으로 허블 우주 망원경이 못다한 일을 해낼 것이기 때문이다. (다만 허블 우주 망원경의 모든 기능을 대체하지는 않는다. 자외선/가시/적외선 영역을 관측한 허블과는 달리 제임스 웹은 적외선 영역만 관측한다. 그래서 허블의 계승자라는 명칭은 다소 오해의  소지가 있다)

 (제임스 웹 우주 망원경 : James Webb Space Telescope : JWST)

 선대 우주 망원경이 천문학자 허블의 이름을 딴 것인데 반해 제임스 웹 우주 망원경은 특이하게도 나사 (NASA) 의 2대 국장인 제임스 웹의 명칭을 딴 것이다. 그는 61년에서 68년사이 중요한 기간 나사에 재직하며 아폴로 계획을 성공시키는데 큰 기여를 한 정부 관료이다. 나사에서는 그의 업적을 기려 당분간 세계 최고의 망원경이 될 차세대 우주 망원경의 명칭으로 그의 이름을 정한 것이다.

 (제임스 웹 : James E. Webb, 나사 2대 국장임. 92년 서거)

 그러나 그렇다고 제임스 웹 우주 망원경이 나사 혼자서 추진하는 계획은 아니며 여기에는 유럽 우주국 (ESA) 와  캐나다 우주국 (CSA) 가 동참하고 있다. 발사 로켓도 유럽의 아리안 5호 로켓이 계획되고 있는 상태이다.

 이 제임스 웹 우주 망원경은 이전의 허블 우주 망원경에 비해서 몇가지 주목할 만한 특징들을 가지고 있다. 아무래도 20년이상 후에 발사되는 우주 망원경이다 보니, 훨씬 진보된 점을 가지고 있을 수 밖에 없는 것이다.

 첫번째 주목할 만한 특징은 그 거대한 주 반사경에서 찾을 수 있다. 제임스 웹 우주 망원경의 주경의 지름은 6.6m 로 허블 우주 망원경의 2.4 m 에 비해 2.5배 이상 크다. 한마디로 큰 거울을 가지고 있으면 그만큼 망원경의 성능은 강력해진다. 따라서 제임스 웹 우주 망원경은 허블 우주 망원경에 비해서 9배나 빨리 빛을 모을 수 있다는게 나사의 설명이다.

그러나 놀랍게도 이 거울은 대단히 가벼워서 우주 망원경 자체의 중량이 허블 우주 망원경의 절반 수준인 6.2톤에 지나지 않게 된다. 어떻게 그것이 가능할까 ? 그 비결은 이 거대한 거울이 18개의 작은 거울의 집합체인데 있다.

 (허블 우주 망원경의 거울과 제임스 웹 우주 망원경의 거울의 크기 비교)

 이처럼 작은 육각형의 거울을 이어 붙여서 하나의 큰 거울 처럼 만드는 기술은 이미 하와이의 켁 망원경에서 시도되었으며 현재 추진 중인 거대 마젤란 망원경 (GMT : http://blog.naver.com/jjy0501/100060563133   참조) 에서도 활용될 예정이다. 우주 망원경에서는 제임스 웹 우주 망원경에서 먼저 시도될 것이다.

 이런 작은 거울들을 이어 붙인 구조 덕택에 제임스 웹 우주 망원경의 거울은 발사 시에는 작게 접혀서 발사 된후 우주 에서 펼쳐질 수 있다. 허블 우주 망원경 처럼 하나의 거울인 경우에는 불가능한 일이다. 사실 이렇게 거울을 접을 수 있는 기술이 아니라면 망원경이 발사시 너무 커지기 때문에 발사가 매우 어려워 질 수 밖에 없을 것이다.

 (제임스 웹 망원경의 back bone - 여기에 거울을 붙이는 것이다)

(이것이 작은 육각형 거울이다. 이런 거울 18개가 쓰인다)

 그러나 단순히 이 작은 육각형 거울 조각들은 접히기만 하는게 아니다. 금으로 코팅된 베릴륨 소재의 거울을 그 가벼움에서 놀라운 진보를 이룩했다. 이 작은 육각형 거울은 1.3 m 의 크기이지만 중량은 불과 20kg  불과하다. 이 가벼움이 이 망원경이 크기에 비해 가벼운 비결이다. 렌즈의 제작 및 테스트에는 미국의 벨 우주항공사와 독일의 렌즈 명가 칼짜이츠가 참여한다.

 앞서 이야기 했듯이 이 제임스 웹 우주 망원경은 이전의 허블 우주 망원경과는 달리 주로 적외선 (Infrared) 영역의 파장을 조사한다고 설명했다. 이를 위해서는 매우 정교한 센서가 필요하다. 관측 영역은 0.6 - 28 ㎛ (마이크로미터 : 백만분의 1 미터) 이다.

 NIRCam (Near InfraRed Camera) 은 0.6 - 5 ㎛ 영역을 관측하며 가시광의 언저리에서 적외선 근방 영역까지 관측한다. NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) 은 이보다 더 핵심적인 관측 장비로 유럽 우주국에서 제작한다. 이 장비는 6만 2천개의 작은 관측 센서가 (100-200 미크론크기) 들어있는 Microshutters 라는 센서가 들어가 있다. (아래 사진)

(Microshutter 의 근접 영상)

 또 5 - 27 ㎛ 영역을 관측하기 위해 MIRI (Mid InfraRed Instruments) 가 장착된다. FGS (Fine Guidance Sensor) 라는 관측을 보조하는 장비도 추가로 장착된다. 대충 이 네가지가 제임스 웹 우주 망원경의 주요 관측 장비이다. 이들을 모두 합쳐 ISIM (Integrated Science Instrument Module) 라고 부른다.

 (ISIM 의 위치는 연두색/파란색 부분이다. 아래는 확대 영상)

 이 관측 장비들이 모은 데이터는 SIDECAR ASIC (System for Image Digitization, Enhancement, ControlAnd Retrieval Application Specific Integrated Circuit) 라는 명칭의 컴퓨터가 처리해 지상의 관측 센터로 수신한다.

 이 복잡한 관측 장비들은 적외선 영역에서 관측을 하게 되는데 한가지 특이한 점은 관측을 위해서 아주 극저온에 영역에 장비가 있어야 한다는 것이다. 주요 관측부는 40K (영하 233 도) 의 극저온의 상태로 있기 위해서 태양 광선을 차단하는 방호막과 냉각장치의 보호속에 있게 된다.

(이 Sunshield 는 태양광 및 주변 우주 물질들로 부터 주요 관측 장비를 보호한다)

(냉각장치인 Cryocooler)

 아래는 이제까지 설명한 망원경의 주요 부위이다.

 이 망원경의 또다른 특징중에 하나는 바로 그 발사 위치이다. 이 우주망원경은 태양과 지구사이의 라그랑주 점 (http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%9D%BC%EA%B7%B8%EB%9E%91%EC%A3%BC%EC%A0%90 를 참조) 인 L2 지점에 놓이게 된다. 지구에서는 150만 km 정도 떨어진 지점에서 공전하게 되는데 지구에서 멀리 떨어짐으로 관측에서 방해 받지 않기 위해서이기도 하다.

(L2 지점에서 지구와 같이 태양 주위를 공전한다)

 이것은 관측의 방해를 피해서이긴 하지만 문제는 그 위치로 인해 허블 우주 망원경처럼 우주 왕복선이나 이후의 아레스 우주선등으로 수리를 할 수가 없다는 것이다. 따라서 디자인된 수명은 5년이며, 예상은 10년 정도이고, 허블 우주 망원경처럼 수리해서 장기간 사용하기는 어렵다고 할 수 있다.

 제임스 웹 우주 망원경의 총 제작및 발사 비용은 35억 달러이며, 유지 및 운영 비용은 10억 달러 정도로 예상되고 있다. 발사는 2013년이전에는 어려울 듯 한데 2013 - 2014년 사이 발사될 가능성이 제일 높다고 할 수 있다. 발사는 유럽의 아리안 5호 로켓이 사용될 계획이라고 한다.

 그런데 이렇게 엄청난 비용을 들여서 새로운 우주 망원경을 발사하려는 이유는 무엇일까 ? 여기에는 당연히 중요한 연구 목표가 았다. 

 1. 암흑시대의 끝을 관측한다 (The End of the Dark Ages: First Light and Reionization)

 : 과학자들은 빅뱅이후 4억년이후까지 우주에는 빛이 없었다고 생각하고 있다. 그러다가 빅뱅 이후 40만년후 양성자와 전자가 결합해 수소를 비롯한 원자들이 형성되어 뭉치기 시작했고, 4억년전에는 별과 은하가 생성되어 우주에 빛이 나타나기 시작했다는 것이다. 따라서 빅뱅이후 4억년 이전까지의 시간은 암흑시대이다. (아래 그림 참조) 제임스 웹 우주 망원경은 우주의 아주 먼 곳을 관측할 수 있다. 134억년 이전의 빛을 관측할 수 있다면 그만큼 오래된 천체의 모습을 관측할 수 있으므로 초기의 암흑시대가 끝날때의 모습을 알수 있을 것이다.

 2. 은하의 결합을 관측한다 (The Assembly of Galaxies)

 : 역시 같은 원리로 제임스 웹 우주 망원경은 초기 은하의 모습을 관측할 것이다. 이는 은하가 어떻게 진화하는지에 대한 결정적 증거를 제시할 수 있다.

 (은하의 분류)

3. 별의 초기 행성계의 모습을 관측한다 (The Birth of Stars and Protoplanetary Systems)

 : 제임스 웹 우주 망원경은 강력한 해상도로 별이 탄생하는 장면을 포착하고 또 여기서 행성계가 탄생하는 장면을 아주 자세히 관측할 수 있다. 그러므로써 우리의 태양계가 처음에 어떻게 형성되었는지, 그리고 태양 이외의 다른 별에 얼마나 많은 행성계가 있고, 지구 같은 별은 얼마나 있을 수 있는지에 대해서 구체적 정보를 구할 수 있다. 이것은 외계 생명체 탐사에 매우 중요하다.

(초기 태양계 형성 이론 - 이 이론이 맞는지 다른 생성되는 태양계를 관측함으로써 알 수 있다)

4. 외계 행성을 관측하고 생명의 기원을 밝힌다 (Planets & Origins of Life)

: 천문학의 발전으로 우리는 상당히 많은 외계 행성을 알고 있다. 그러나 이들 대부분은 간접적인 관측에 의해 존재가 알려져 있고, 실제로 이들을 직접 포착하고 이들의 상태를 분석하지는 못했다. 제임스 웹 우주 망원경은 다른 망원경이 넘볼 수 없는 해상력으로 이를 포착하고 외계 행성들에 대한 우리의 초보적 지식을 크게 확장할 것이다. 그리고 초기 행성의 상태를 관측해서 생명의 기원에 대한 단서를 확보할 수 있다.

 제임스 웹 우주 망원경은 LHC (거대 강입자 충돌기) 에 맞먹는 거대 과학이다. 이 우주 망원경이 성공적으로 발사가되고 관측이 순조롭게 이루어진다면 우주에 대한 우리의 지식은 한단계 더 진보될 것임이 분명하다. 순조롭게 발사되어 우주의 놀라운 영상들을 보게 되는 날을 기다려 본다.

 출처  :NASA/Wiki

 제임스 웹 우주 망원경 공식 사이트 : www.jwst.nasa.gov