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(The filters on NASA’s Roman Space Telescope Coronagraph Instrument’s Color Filter Assembly each block all but a specific color, or wavelength, of light. Many of the filters appear dark in this photo because they are transparent only to infrared light, which is invisible to the human eye. Credit: NASA/JPL-Caltech - https://www.nasa.gov/feature/jpl/assembly-begins-on-nasa-s-next-tool-to-study-exoplanets )
지난 8월 30일 (현지 시각) 발사에 성공한 낸시 그레이스 로만 우주 망원경 (이하 로만 우주 망원경) 은 여러 가지 혁신적인 시스템을 장착해 허블 우주 망원경과 같은 2.4m 주경을 지녔음에도 불구하고 허블 우주 망원경은 물론 더 큰 주경을 지닌 제임스 웹 우주 망원경도 할 수 없는 특수 관측이 가능합니다. 그 가운데 하나가 바로 코로나 그래프(coronograph)를 이용한 외계 행성 직접 관측입니다.
과거 제임스 웹 우주 망원경도 별빛이 행성 대기를 통과하는 것을 관측해 대기 구성 성분을 분석하고 중요한 과학적 성과를 거뒀습니다. 하지만 제임스 웹 우주 망원경으로도 목성급 행성을 직접 관측하는 일은 어렵습니다. 행성은 별빛을 반사하는 천체이지 스스로 빛나지 않는 천체입니다. 따라서 목성처럼 큰 천체도 태양보다 10억 배는 더 어둡습니다. 아주 멀리 떨어진 장소에서 이를 훨씬 강한 별빛과 분리하는 일은 매우 어려운 과제입니다.
독일 막스 플랑크 천문학 연구소는 로만 우주 망원경에 탑재할 Coronagraph Instrument(CGI)를 개발했습니다. 이 코로나 그래프는 최첨단 광학 기술의 결정체라고 할 수 있는데, 기존의 지상 기반 코로나 그래프보다 1000배 어두운 행성도 관측할 수 있게 개발됐습니다.
이를 위해 막스 플랑크 천문학 연구소의 과학자들은 극도로 정밀한 시스템을 개발했습니다. 코로나 그래프는 기본적으로 태양처럼 밝은 별을 가려서 주변의 코로나 같은 구조를 보는 것이 목적입니다. 별의 경우 밝은 가운데 별을 가리는 마스크 (mask)를 통해 주변의 어두운 동반성 등을 관측합니다. 그런데 태양처럼 가까운 천체가 아니라 아주 먼 별을 관측하는 경우 가운데 별만 정확히 가려야 합니다. 조금이라도 흔들리면 옆의 행성까지 가리게 되어 행성을 직접 관측하기 어렵습니다.
막스 플랑크 연구팀이 개발한 정밀 정렬 시스템 (Precision Alignment Mechanisms, PAM)은 로만 우주 망원경의 핵심 부품으로 마스크, 필터, 거울 등 광학 요소의 정렬을 극도로 정확하게 유지해 이 문제를 해결합니다. 8시간 동안 기울어짐을 40 밀리아크초 (milliarcseconds) 이내로 억제하는 정밀도를 지니고 있는데, 이는 하이델베르크에서 로스앤젤레스에 있는 사람을 보는 각도와 비슷한 수준의 정밀도입니다. 연구팀은 27,000회 이상의 움직임을 견뎌 비행 모델의 약 2배 스트레스를 확인했습니다. 우주로 발사하고 난 후에는 망원경이 지구에서 150만 km 떨어진 라그랑주 점에 위치해서 수리할 수 없으므로 극도의 안정성이 필수입니다.
두 번째는 적응 광학(Adaptive Optics)과 실시간 자가 보정 기술입니다. 우주에는 공기가 없으므로 대기 난류가 없지만, 망원경 내부 광학 시스템 자체에서 왜곡이 발생합니다. 그래서 망원경에 탑재한 변형 가능한 작은 거울(deformable mirror)이 실시간으로 형태를 바꿔 이 왜곡을 보정합니다. 덕분에 별과 행성 간 밝기 대비(contrast)를 크게 높입니다.
이 두 가지 기술과 로만 우주 망원경의 강력한 성능을 결합해 과학자들은 수많은 외계 행성의 반사광을 직접 관측하고 여러 가지 사실을 알아낼 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 그리고 이렇게 얻어진 기술적 지식은 나사의 또 다른 차세대 망원경인 거주 가능 세계 관측소(Habitable Worlds Observatory, HWO)의 기술적 토대가 될 것입니다.
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현재 로만 우주 망원경은 L2 라그랑주점으로 향하고 있으며 전체 시운전 과정은 90일 정도 걸릴 것으로 보고 있습니다. 첫 번째 광학 이미지는 2027년 초에 공개될 것으로 예상됩니다. 실제 과학적 성과가 쏟아지는 것은 앞으로 적어도 1년은 지난 후의 일일 가능성이 높지만, 로만 우주 망원경은 우리가 이전에 상상하지 못했던 놀라운 사실들을 알려줄 것입니다.
참고
https://en.wikipedia.org/wiki/Nancy_Grace_Roman_Space_Telescope
https://phys.org/news/2026-08-roman-telescope-aims-image-exoplanets.html
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