우주망원경의 세대 교체 (2)

기획·칼럼

우주망원경의 세대 교체 (2)
[과학기술 넘나들기] (228) 파장 대역에 특화된 우주망원경들

2021.10.01 09:00 최성우 과학평론가

고성능의 차세대 우주망원경인 제임스 웹 우주망원경((James Webb Space Telescope; JWST)의 발사가 연거푸 지연되면서, 기존 우주망원경의 왕좌를 지켜온 허블 우주망원경(Hubble space telescope)은 잦은 고장에도 여전히 우주 관측 임무를 수행하고 있다. 마치 후임자의 임명과 인수인계가 늦어지는 바람에, 퇴역 예정일을 훨씬 넘긴 전임자가 은퇴하지도 못하고 어쩔 수 없이 업무를 계속하고 있는 형국이다.

1990년부터 30년 넘게 천체와 우주를 관측해 온 허블 우주망원경은 고도 559km의 원에 가까운 저궤도를 인공위성처럼 돌면서 임무를 수행한다. 주기는 약 95분 정도로서 하루에 15바퀴씩 지구 둘레를 도는 셈인데, 관측 가능한 빛의 파장은 자외선부터 근적외선까지 가시광선을 포함하는 비교적 넓은 파장 대역이다. 곧 발사될 제임스 웹 우주망원경은 허블망원경과는 달리 적외선 대역에 특화된 우주망원경이다.

허블망원경은 그동안 다양한 천체 사진 촬영과 분광 관측 등을 통하여 우주의 신비를 밝히는 데 지대한 공헌을 해왔다. 그중에서도 대표적인 것을 꼽는다면, 이름에 걸맞게 허블 상수 즉 우주의 나이와 밀접한 관련이 있는 우주의 팽창률을 정확히 구할 수 있게 한 공로 및 우주의 가속 팽창을 발견한 것 등을 들 수 있다.

그러나 그동안 가동되었거나 현재도 가동 중인 우주망원경에는 허블망원경 이외에도 여럿이 있다. 이들 중에는 허블망원경이 관측하기 어려운 파장 대역의 전자기파를 관측할 수 있는 것들도 있다. 원래 허블망원경의 설치는 미항공우주국(NASA)의 이른바 ‘위대한 관측 프로그램(Great Observatories program)’이라 불린, 서로 다른 파장 대역을 관측할 수 있는 네 대의 우주망원경을 띄우는 계획의 하나로 시작된 것이었다.

컴프턴 감마선망원경의 구상도 ⓒ 위키미디어

허블망원경의 뒤를 이어 1991년에는 우주왕복선 아틀란티스호에 의해 컴프턴 감마선 망원경(Compton γ-ray Observatory)이 성공적으로 발사되었다. 감마선으로 전자를 산란시켰을 때 나타나는 컴프턴 효과를 발견한 물리학자 컴프턴(Arthur Holly Compton)의 이름을 딴 이 망원경 역시 지구 인근 궤도를 돌면서 우주를 관측하는 망원경이었다. 관측 가능한 파장 대역은 0.1nm 이하의 짧은 엑스선 및 감마선으로서, 초신성 폭발처럼 우주로부터 막대한 에너지가 분출하면서 감마선이 쏟아지는 현상을 관측하기 매우 적합하다.

컴프턴 감마선 망원경은 가동 이후 수천 번의 감마선 폭발 현상을 관측하면서, 전자기파 중 가장 에너지가 높고 파장이 짧은 감마선의 검출을 통해 우주의 신비를 푸는 데에 기여해왔으나, 자이로스코프의 고장 등으로 2000년에 임무를 마치게 되었다. 컴프턴 감마선 망원경은 중량이 17톤에 달하는 거대한 망원경이었는데, 임무 종료 후 궤도를 이탈하여 대기권에 진입한 후 파편들이 바다로 떨어지기도 하였다.

NASA의 계획에서 세 번째로 발사된 우주망원경은 찬드라 엑스선망원경(Chandra X-ray Observatory)으로서, 항성의 구조와 진화 연구로 1983년도 노벨 물리학상을 받은 인도 출신의 천체물리학자 찬드라세카르(Subrahmanyan Chandrasekhar)의 이름을 딴 것이다. 파장 대역 0.1~10nm의 엑스선을 관측할 수 있는 이 우주망원경은 우주왕복선 컬럼비아호에 의해 1999년에 발사되어 원래 5년 정도의 임무 연한을 예상하였으나, 지금도 여전히 관측 활동을 계속하고 있다.

찬드라 엑스선망원경의 상상도 ⓒ 위키미디어

이 망원경이 관측할 수 있는 엑스선은 은하의 중심부나 중성자별, 또는 블랙홀에 빨려 들어가는 천체 등으로부터 방출되는 것이므로, 블랙홀의 존재 등을 확인하는 데에 매우 유용한 우주망원경이다. 찬드라 엑스선망원경은 2015년 11월 지구에서 약 3억 광년 정도 떨어진 외부은하에서 새로운 블랙홀을 발견하는 쾌거를 이루었고, 그동안 고에너지 상태의 천체들에 대한 정밀한 이미지를 숱하게 보내왔다.

마지막인 네 번째의 우주망원경은 2003년에 발사된 스피처 우주망원경(Spitzer Space Telescope)으로서, 적외선 파장 대역을 관측하는 우주망원경이다. 우주망원경의 아이디어를 처음 제안하고 설치를 추진해 온 라이먼 스피처(Lyman Spitzer)의 이름을 딴 이 우주망원경은, 앞선 세 개의 우주망원경처럼 지구 부근의 궤도를 도는 것이 아니라, 지구를 따라서 태양 주위를 돌면서 우주를 관측한다.

적외선을 감지하는 스피처 우주망원경은 작은 항성이나 온도가 높지 않은 천체 또는 적색편이를 나타내며 멀어지는 은하 등을 관측하기에 적합하다. 원래 2.5년 정도의 짧은 임무 연한을 예상하였으나, 원래보다 훨씬 오래 우주 관측을 계속하다가 작년인 2020년 2월에야 임무를 마치고 퇴역하였다. 스피처 우주망원경은 그동안 예전에는 확인되지 않았던 토성 주변의 새로운 고리를 발견하였고, 지구와 유사한 암석형 외계행성을 여럿 찾아내는 등의 성과를 거둔 바 있다.