The Science Times

전 세계인들을 위한 크리스마스 선물 – 제임스 웹 우주망원경

2021년 12월 14일 순조롭게 진행되던 제임스 웹 우주망원경팀으로부터 한 가지 청천벽력같은 소식이 들려왔다. NASA의 대변인 앨리스 피셔(Alise Fisher)는 수차례 연기되면서 겨우 발사를 확정 지었던 제임스 웹 우주망원경의 발사가 한 번 더 연기된다는  소식을 전했기 때문이다. 불행 중 다행으로 이번 연기의 이유는 망원경의 문제가 아니라 관측소와 발사체 시스템 간의 통신이 원활하지 못했기 때문으로 수리와 점검은 금방 끝날 것이라고 예측되었다. 하지만 이 때문에 제임스 웹 우주망원경은 빨라야 12월 24일 발사 예정이라고 전했다.

12월 18일 NASA의 홍보부 부대변인 패트릭 린치 (Patrick Lynch)는 제임스 웹 우주망원경은 성공적으로 점검을 마쳤으며 제임스 웹 우주망원경의 발사는 더는 연기가 되지 않는다고 밝혔다. 따라서 제임스 웹은 12월 24일에 발사되며 이는 전 세계인들을 위한 크리스마스 선물이 될 수 있다고 밝혔다.

제임스 웹 우주망원경의 발사 상상도 ⓒ NASA/ESA

2021년 12월 25일 09:20 – 09:52 (한국시각 12월 25일 21:20 – 21:52) –  인류 역사상 또 다른 위대한 도약

12월 18일 NASA는 제임스 웹 우주 망원경의 발사를 위한 모든 점검을 완료했다. 12월 21일 제임스 웹 우주망원경의 발사지인 프랑스령 기아나(Guiana Space Centre ELA-3) 발사장 승무원들과 미국 메릴랜드주 볼티모어에 있는 우주 망원경 및 과학 연구소에 있는 제임스 웹 팀 MOC(Mission Operations Cent)가 공동으로 최종 리허설을 진행했으며 성공적으로 마쳤음을 알렸다.

12월 22일 NASA는 제임스 웹 우주망원경이 안전하게 캡슐화되어 있는 Ariane 5 ECA 로켓의 상단부를  2시간 동안 점검했으며 이 역시 성공적으로 마치며 12월 24일 오전 7시 20분 EST 발사를 위한 모든 준비를 완료한 상태이다.

하지만 아쉽게도 또 한 차례의 연기가 발표되었다. 발사 예정 시간 즈음 발사지 근처에 악천후가 예정되어 있기 때문이다. 하지만 여전히 크리스마스 선물이 될 순 있을 전망이다. 유럽우주국과 NASA의 브라이언 던바 교수(Prof. Brian Dunbar)에 따르면 새로운 발사 시각은 현지시각으로 2021년 12월 25일 09:20 – 09:52 정도 (한국시간 12월 25일 21:20–21:52 정도)로 예정되어 있다고 밝혔다. 이와 함께 유럽우주국은 현재 제임스 웹 우주망원경이 Ariane 5 발사체와 함께 최종 조립되었으며 매우 안전한 상태에 있다고 밝혔다.

제임스 웹 우주망원경의 팬들은 아폴로 11호가 처음 달을 밟았을 때 “인류의 위대한 도약 (One of the giant leap for mankind)”라고 표현했던 것처럼 위 시각이 “인류 역사상 또 다른 위대한 도약 (Another giant leap for mankind)”이 될 것이라고 기대를 모으고 있다.

인류 역사상 가장 크고 강력한 우주 과학 망원경

제임스 웹 우주망원경은 현재까지 인류 역사상 가장 크고 강력한 우주 과학 망원경이다. 하지만 가장 무거운 망원경은 아니다. 망원경의 무게나 부피는 로켓 발사에 매우 중요한데, 이는 어떤 로켓을 사용하느냐에 따라 싣을 수 있는 무게와 부피의 한계가 존재하기 때문이다.  허블 우주 망원경과 같이 금속 코팅 유리를 사용하면 무게가 무거워지기에 제임스 웹 우주망원경은 가볍지만 매우 안정적인 (강도는 강철보다 대략 6배가 높음) 베릴륨을 이용한다.

거울의 베릴륨표면과 금코팅된 모습 ⓒ NASA/ESA

망원경의 주경은 1.3m 육각 조각 거울 18개의 힌지 구조를 합쳐 만들었으며 전체 합쳐진 주경도 육각형 모습이다. 제임스 웹 우주망원경의 주경 (6.5 m 크기와 25제곱미터의 면적)과 관측 부분은 너무 커서 발사를 위해서 조심스럽게 접힌 상태로 출발해서 우주에서 펼쳐져야 한다. 제임스 웹 우주망원경팀의 표현에 따르면 이는 마치 거대한 하이테크 종이접기 같다고 표현한다.

망원경은 발사 전 접힌 상태로 출발하게 된다. ⓒ NASA/ESA

주경을 고정할 지지대조차도 크기가 매우 크기 때문에 이 역시 접힌 채로 발사되며 망원경의 하단 선쉴드(Sunshield)부분도 함께 접힌 상태로 발사된다. 선쉴드 부분은 우주에서 팽창하며 5개의 별개 층으로 분리되게 된다. 참고로 선쉴드 부분은 보잉사의 737-900 모델 비행기의 거의 절반 크기에 해당한다.

망원경의 선쉴드 부분만 해도 거의 테니스장과 비슷한 크기를 자랑한다. ⓒ NASA/ESA

제임스 웹 우주망원경팀은 한 달간 극 긴장 모드를 유지한다

제임스 웹 우주망원경은 발사에도 온 힘을 쏟아야 하는 망원경이지만 첫 번째 이미지를 촬영하기까지는 상당히 오랜 시간이 필요할 것으로 보이며 제임스 웹 팀은 약 한 달간은 극 긴장 모드를 유지할 것으로 보인다. 먼저 발사 직후 약 30분 정도가 지나면 제임스 웹 우주망원경이 로켓의 상단에서 분리되기 시작한다. 망원경은 스스로 전기를 공급하기 위해서 차양막을 펼치기 시작하며 지상국과의 교신을 준비한다. 일주일 동안 차양막이 점차 펴지기 시작하며 약 10일이 지나면 망원경의 차양막이 모두 펼쳐지게 된다.

발사 후 일주일이 지나면 차양막이 펼쳐지기 시작한다. ⓒ NASA/ESA

열흘째부터는 주경에 고정된 고정대가 펼쳐지면서 망원경이 본 모습을 찾기 시작한다. 발사 후 13일째가 되면 차양막, 지지대, 그리고 망원경이  모두 펼쳐지게 된다. 이후 제임스 웹 우주망원경은 첫 번째 목적지에 도달하기 위해 100만 마일 (약 160만 km)을 여행할 예정이다. 약 한 달이 지나면 망원경은 라그랑주 L2 (우주선이 공전하는 데 필요한 구심력과 태양과 지구의 중력이 균형을 이루는 5개 공간 중 하나) 주위 궤도에 진입하게 된다.

발사 후 13일째가 되면 망원경과 차양막이 모두 펴지게 된다. ⓒ NASA/ESA

제임스 웹이 이곳에 도착하게 되면 태양을 바라볼 때 지구와 동일 선상에서 태양을 공전할 수 있게 된다. 이 특별한 궤도는 제임스 웹 우주망원경 선쉴드의 한 면이 항상 태양, 지구 및 달을 향하도록 하여 열과 빛이 망원경의 광학 장비에 도달하는 것을 차단할 수 있게 해준다. 또한 이곳에서는 NASA의 제트 추진 연구소(JPL)에서 관리하는 거대한 안테나인 Deep Space Network를 통한 지속적인 통신이 가능해질 전망이다.

제임스 웹 우주망원경은 약 한 달간의 여정을 거쳐서 라그랑주 L2 지점으로 이동하게 된다. ⓒ NASA/ESA

물론 거울의 미세조정이나 모든 장비의 성공적인 테스트는 조금 더 시간이 필요하다. 과학 기기들은 약 40켈빈 (화씨 -380도) 미만의 온도로 냉각되며 모든 광학 기기는 보정을 마치게 된다. 물론, 제임스 웹 우주망원경이 우리에게 알려줄 최초의 관측 이미지는 기다릴 가치가 충분히 있다. 제임스 웹 우주망원경은 최첨단 과학 장비들로 이루어진 망원경이기 때문이다.

제임스 웹 우주망원경의 첫 우주 관측 전까지 대략적인 타임라인 ⓒ NASA/ESA

제임스 웹 우주망원경의 최첨단 과학 장비들

제임스 웹 우주망원경에는 목표물의 이미지를 촬영하는 카메라와 빛을 파장별로 분해하여 천체나 물질의 물리 화학적 특성을 결정할 수 있는 분광기가 탑재되는데 총 4가지 최첨단 과학 장비들을 포함하고 있다.

제임스 웹 우주망원경의 관측 장비들 파장 비교도 ⓒ NASA

첫 번째 장비인 NIRCam(Near InfraRed Camera)은 근적외선 카메라로 0.6 ~ 5 μm (0.6 ~ 2.3 μm 파장을 이용하는 단파장 채널과 2.4 ~ 5.0 μm 파장을 이용하는 장파장 채널로 구성)의 근적외선 파장을 통한 이미지 관측 및 분광 관측을 수행한다. 특히 위 장비에는 태양과 같이 빛이 강한 천체를 막아 외계행성이나 먼지 원반(debris disks) 같은 흐린 천체를 볼 수 있도록 제작된 코로나그래프를 탑재하고 있다.

NIRCam 장비가 탑재되고 있다. ⓒ NASA

두 번째 장비인 NIRSpec(Near InfraRed Spectrograph)는 0.6 ~ 5.3 μm의 파장을 이용하는 근적외선 분광기로 보다 구체적인 다목적 분광 연구를 수행한다. NIRSpec은 NASA에서 제작한 MSA(Micro-Shutter Array) 및 Airbus Industries와 유럽우주국이 제작한 탐지기로 이루어져 있다.

세 번째 장비인 MIRI(Mid-Infrared Instrument) 는 중적외선 관측 장비로서 4.9 ~ 28.8 μm 파장을 이용한 관측을 수행한다. 5.6 ~ 25.5 μm의 중적외선 파장 범위를 커버하는 9개의 광대역 필터로 구성된 장비를 통하여 이미지를 촬영할 수 있으며 낮은 분해능 모드의 분광기 (5 ~ 12 μm 파장)와 중간 분해능 모드의 분광기 (4.9 ~ 28.8 μm 파장)를 이용한 분광 촬영도 수행한다. 위 장비에도 코로나 그래프가 탑재되어 있다. MIRI는 유럽 우주국과 NASA의 제트 추진 연구소(JPL) 간의 협력을 통해 개발되었다.

MIRI 장비가 탑재되고 있다. ⓒ NASA

마지막으로 네 번째 장비인 NIRISS(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph)는 NIRCam 및 NIRSpec을 보완하는 장비이지만 0.6 ~ 5 μm 파장을 이용한 고유 관측도 수행한다. 효율적인 전체 반사 형태로 설계되어 저해상도, 광시야 분광 연구가 가능하다. NRISS 장비는 캐나다 우주국에서 개발 및 제작되었다.

제임스 웹 우주망원경 개발팀의 목표는 처음부터 ‘이전 어떤 망원경보다도 뛰어난’ 망원경의 제작이었다. 최첨단 광학기기와 함께 극저온에서 작동하는 망원경은 획기적인 경량 전개 거울, 대형 초고감도 적외선 감지기. 수백 개의 개별 물체를 동시에 분광 측정 가능한 마이크로 셔터 (microshutter) 장비 그리고 절대 영도보다 불과 몇도 높은 온도까지 냉각 가능한 극저온 냉각기 등으로 이루어져 있다.

제임스 웹 우주망원경이 특별한 이유

제임스 웹 우주망원경은 허블 및 스피처 우주 망원경의 상징적인 후계자이기에, 허블, 스피처 및 기타 NASA 임무의 관측을 보완하게 된다.

허블 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경의 비교 ⓒ ESA

제임스 웹이 특별한 이유는 위 망원경이 우주에서 펼쳐진다면 우리가 밤하늘과 우주에 관해서 생각하는 방식 자체가 변할 것이기 때문이다. 초 고해상도 제임스 웹 우주망원경으로 우주를 관측하게 되면 우리가 이전에 본 것보다 더 멀리 떨어져 있는 은하를 탐험할 수 있음은 물론이며 이전에 관찰된 적이 없는 우주 역사의 시기를 되돌아보며 과거를 들여다볼 수 있다. 따라서, 제임스 웹 우주망원경은 우주 역사의 매 단계를 연구할 수 있다. 제임스 웹 우주망원경이 새롭고 예상치 못한 발견과 관측을 수행하게 되면 우주의 기원과 그 안에서 우리의 위치를 이해하는 데 도움을 줄 것이다.

제임스 웹은 이전에 관찰된 적이 없는 우주 역사의 시기를 되돌아볼 수 있다. ⓒ NASA/ESA

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