가장 민감한 감마선 관측 망원경

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] ESA의 호라이즌 2000 프로그램(7) 인테그랄

우주의 가장 격렬한 활동을 관측할 수 있는 엑스선과 감마선

빛은 우리가 광학망원경으로 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 주파수를 포함하고 있다. 이는 빛이 각기 주파수의 다양한 전자기 복사에너지로 이루어져 있기 때문이다. 이로 인해 사람의 눈은 전자기파 스펙트럼 가운데 기본 색깔을 이루는 일부분만 볼 수 있다.

별은 기본적으로 빛을 방출하는 천체이다. 즉 여러 파장(혹은 주파수)의 빛을 동시에 방출하는데, 별의 온도에 따라서 특정 파장의 빛을 더 많이 방출하곤 한다. 온도가 높은 별들은 엑스선이나 감마선같이 짧은 파장의 빛을 주로 방출하며, 반대로 온도가 낮은 별들은 적외선이나 전파와 같이 긴 파장의 빛을 주로 방출한다. 특히나 자외선, 엑스선, 그리고 감마선 등은 지구 대기권을 통과할 수 없기에 지구 표면에서는 관측하기가 힘들다.

그 때문에 온도가 높은 별들을 관측하려면, 지구 대기권 바깥으로 망원경을 보내서 천문학적인 관측을 수행해야 하고 이를 위해서 오랜 시간 동안 준비를 해야 한다. 하지만 온도가 높은 별들을 관측하기 위해서 천문학적인 돈을 쓰면서 우주에 망원경을 보내는 것은 큰 의미가 있다.

그들이 주로 방출하는 엑스선이나 감마선을 통해서 우주의 가장 격렬한 활동을 관측할 수 있기 때문이다. 성운, 초신성, 퀘이사, 감마선 폭발, 블랙홀 등은 우주에서 가장 활발하고 강력한 에너지를 지니고 있는 천체들로서 이들이 방출하는 엑스선이나 감마선을 통해서 천체를 관측하게 되면 우리가 눈으로 보는 고요한 밤하늘과는 너무나도 다른 모습을 보여준다.

엑스선과 감마선의 발견과 성공적인 관측들

엑스선 (X-ray 혹은 뢴트겐 방사선)은 1895년 독일의 물리학자 빌헬름 뢴트겐이 발견했으며 감마선은 1900년 프랑스의 물리학자 폴 빌라르가 처음 발견했다.

엑스선과 감마선을 처음으로 관측하고 탐지한 우주 미션들은 각각 독일의 V2 로켓 (1948 년)과   익스플로러 11호(1961년)이다. 이후 천문학 미션들 중 가장 활발한 분야 중 하나가 되어서 수십 개의 우주선 그리고 우주망원경이 지구를 출발했으며, 더욱더 예민한 감도로 가장 활발한 우주를 탐지하고 있다.

현재까지 가장 성공적인 엑스선 우주망원경은 미국 항공우주국(NASA)이 1999년 쏘아 올린 찬드라 엑스선 관측선 (Chandra X-ray Observatory)이다. 그리고 가장 성공적인 감마선 우주망원경은 NASA가 2008년 쏘아 올린 페르미 우주망원경 (FGST)와 유럽 우주국(ESA)이 2002년 쏘아 올린 인테그랄 우주 망원경을 들 수 있다.

이들은 활동 은하핵(AGN)과 같은 고에너지 천체와 블랙홀의 제트, 초신성(Supernovae), 감마선 폭발(Gamma-ray burst) 등의 활동적인 우주를 관측함에 목적을 두고 있다. 즉, 우주에서 방출되는 가장 강력한 방사선인 감마선을 탐지한다.

예를 들어서 초신성 폭발 후 큰 질량 별들의 중심부에는 블랙홀이 되는데, 이들의 잔류물들은 밖으로 빠져나가지 못한다. 블랙홀로 빨려 들어간 물질은 블랙홀 주변에 응축 원반을 만들면서, 원반 안의 극 고온의 에너지는 감마선과 엑스선을 방출하게 된다. 또한 이와 동시에 강한 중력장의 영향으로 주변 성간 물질과 반응하는 제트류를 방출하게 된다.

또한 평범한 두 별 혹은 중성자별이 융합할 때에 아주 격렬하고 밝은 빛반응을 일으키는데, 이때 감마선과 엑스선을 대량으로 방출한다.

이는 우주에서 알려진 가장 활발한 이벤트 중 하나인 감마선 폭발이라고 부른다. 감마선 폭발은 태양이 평생 내뿜는 에너지를 단 몇 초 만에 방출하는 것으로 알려져 있다.

이보다 더 격렬한 반은은 바로 블랙홀들끼리의 융합이다. 이들은 신비한 형태의 에너지를 대량으로 발산하는데, 이들은 보통 은하계 전체의 진화에 결정적인 역할을 하곤 한다.

인테그랄 장비 중 IBIS가 2002년 관측한 감마선 폭발 (GRB021125) ©ESA/S. Mereghetti, IBIS team, IASF Milano

인테그랄 미션의 특징

인테그랄(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, INTEGRAL)은 유럽 우주국과 미국 항공우주국 그리고 러시아 우주국이 협력해서 쏘아 올린 후 지금까지 지구를 돌면서 감마선/엑스선을 관측하는 우주 망원경이다.

호라이즌 2000 프로그램의 중간 규모 미션 중 두 번째 미션으로 선정되었으며, 2002년 카자흐스탄 바이코누르 우주기지에서 발사되었다.

인테그랄은 감마선과 엑스선에 의한 장기간 노출에 대비하여 질량만 해도 4000kg으로 이루어져 있으며, 구경은 3.7m나 되는 망원경이다. 때문에 현재까지 쏘아 올린 감마선/엑스선 만원 중 가장 민감한 관측 장치로 뽑히고 있다.

현재까지도 독일 다름슈타트에 있는 유럽 우주 운영센터에서 제어를 담당하고 있으며, 지니고 있는 연료가 모두 소진될 예정인 2020년대 초까지는 과학적인 관측을 계속 진행할 예정이다.

인테그랄 망원경의 상상도©ESA/NASA/RKA

인테그랄 망원경의 18년간 성공적인 관측을 모아서 만든 인테그랄 망원경의 모자이크 이미지 ©ESA/NASA/RKA

인테그랄 우주선 본체는 XMM-Newton 본체와 매우 비슷하다. 이로 인해서 인테그랄 우주선의 개발 비용이 대폭 절감되었고, 지상 시설과의 통합과 소통도 매우 단순화되는 장점이 있다.

인테크랄 망원경의 주요 특징으로는 여러 대역에서의 대상 관측을 위한 4개 장비가 준비되었다는 점이다.

인테그랄 망원경의 가장 중요한 장비 중 하나인 이미징 장치 IBIS (Imager on-Board the INTEGRAL Satellite)는 엑스선에서 감마선의 범위를 관측한다. 주된 분광기는 SPI (SPectrometer for INTEGRAL)’이라고 부르는데, IBIS보다 조금 더 넓은 관측 범위를 자랑한다.

두 가지 주된 장비와 추가적인 정보를 제공하기 위한 조금 더 짧은 파장의 관측을 위한 JEM-X (Joint European X-Ray Monitor) 장비와 긴 파장의 관측을 위한 OMC (Optical Monitor) 등이 탑재되어 있다.

이외에도 보정을 위한 IREM (INTEGRAL Radiation Environment Monitor) 장비도 탑재되어 있다.

인테그랄 미션의 성과

인테그랄 우주선의 가장 큰 성과로는 매우 뛰어난 민감도를 이용해서 페르미 감마선 우주망원경, 스위프트, 레이저 간섭계 중력파 관측소(라이고, LIGO) 등과 함께 감마선 폭발과 블랙홀의 존재 증거조사에 관한 크게 기여한다는 점이다.

대표적으로 LIGO가 2017년 8월 17일 NGC 4993 은하에서 중성자 별들의 충돌로부터 발생한 GW170817이라고 명명된 중력파를 감지하였는데, 인테그랄은 폭발의 여파와 흔적을 찾는데 도움을 줬다.

얼마 지나지 않아서 인테그랄 망원경은 GW170817 중력파와 관련 있는 빛을 검출하게 되었고 이는 사상 처음으로 동일한 사건이 만들어낸 빛과 중력파를 관측한 사건이 되었다.

페르미 감마선 우주망원경과 인테그랄이 발견한 짧은 감마선 폭발은 두 개의 중성자별이 (혹은 한 개의 중성자별과 한 개의 블랙홀) 충돌한 잔해들이 거의 빛의 속도에 육박할 정도로 움직이면서 형성된 제트로 파악되고 있다.

이에 관해서 LIGO는 고밀도 천체들의 충돌을 설명해 주었고, 두 가지의 정보를 종합하고 상관관계를 종합하여 결론을 내릴 수 있었다. 중력파의 근원에서 뿜어져 나오는 빛은 중력파의 관측에 한층 더 다가갈 수 있는 단서를 제공해 주었던 셈이다.

이처럼 여러 천문대와 망원경의 공동 연구는 파급효과가 엄청나다. 또한 아직은 베일에 싸여있는 ‘철 퀘이사’ 같은 천체도 관측해서 주목할 만한 발견을 더하고 있다.

GW170817 중력파의 공동 감지 및 분석 ©LIGO/Virgo/Fermi/ INTEGRAL/NASA/DOE/NSF/EGO/ESA

엑스선이나 감마선을 통해 본 우주의 모습은 극도로 활발한 모습을 보여주지만, 페르미 망원경이나 인테그랄 망원경 등이 없었다면, 우리의 안전한 지구 밖에서 얼마나 놀랍고 흥미로운 사건들이 벌어지고 있는지 알지 못했을 것이다.

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