제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? (1)

[4월 과학의 달 특집] 제임스 웹 우주 망원경의 12월

인류의 새로운 눈이 되어 줄 제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? 이르면 올 5~6월 정도부터 첫 관측을 시작하게 될 제임스 웹 우주 망원경은 벌써 발사된 지도 3개월이 넘었다. 과학의 달을 맞이하여 제임스 웹 우주망원경의 발사부터 현재까지 진행된 사항들을 종합하고 앞으로 예정된 계획을 정리해본다.

제임스 웹 망원경의 구조 © JWST/NASA

제임스 웹의 성공적인 발사 그 후 

2021년 크리스마스 동부 표준시 기준 오전 7시 20분, 프랑스령 기아나에 있는 유럽의 우주센터에서 미 항공 우주국(NASA)의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 실은 아리안 5호 발사기에 부스터가 점화되면서 우주로 성공적으로 발사되었다. 발사 후 2분 정도의 시간이 흘렀을 때 아리안 5호의 고체 로켓 부스터 2개가 본체에서 분리된 후 바다로 떨어졌으며, 곧이어서 비행 중 원활한 감압(depressurization)을 위해서 추가 통풍 포트로 수정된 페어링이 제거되면서 JWST가 처음으로 지면이 아닌 공간에서 노출되었다. 얼마 시간이 지나지 않아 S-Band 송신기의 전원이 켜졌으며 유럽 우주센터의 목성 제어 센터(Jupiter Control Center)에서 JWST를 성공적으로 원격 감지하는 데 성공했다.

아리안 5호 로켓에 실려 발사를 기다리며 접혀 있는 JWST © JWST/NASA

곧이어서 로켓은 연료를 모두 소모하여 속도를 약 25,750 km/h 정도로 올린 후 메인스테이지 부분은 엔진이 정지되며 분리되었고, 이제 상단 엔진이 점화되기 시작했다.

JWST의 발사 상상도 © JWST/NASA

상단부는 약 16분간 연소하면서 JWST를 35,406 km/h 정도의 속도로 끌어 올리기 시작했다. 곧이어서 상단부 엔진마저 정지되며 본체에서 분리되며 우주선이 최종 분리되었다.

JWST 우주선이 최종 분리되는 모습 © JWST/NASA

발사 직후 태양 전지판이 열리기 시작

발사 후 30분 정도의 시작이 지났을 때 JWST의 태양 전지판이 열리기 시작하며 완전히 배치를 완료했다. 태양 전지판 없이는 연료를 얻을 수 없으므로 임무도 성공적으로 진행될 수 없다. 따라서 이는 매우 중요한 작업이었다.

태양 전지판이 열리는 모습 © JWST/NASA

볼티모어의 임무 제어 센터와의 교신으로 성공적인 배치를 알린 JWST는 이제 본격적으로 라그랑주 L2 지점으로의 여행을 시작하기 시작했다. 동시에 제어 시스템을 통해서 테니스 코트 장 크기(대략 21 m x 14 m)만 한 선 쉴드와 JWST가 올바른 방향을 가리키도록 제어했다. 선 쉴드는 태양복사와 열로부터 JWST를 보호하며 불필요한 빛을 차단하는 역할을 한다.

궤도교정 분사 시작

발사 당일 동부 표준시 기준 오후 7시 50분에는 JWST의 첫 번째(총 3번) 궤도교정 분사(correction burn)가 시작되었다. 65분 동안 지속된 교정 분사는 태양 전지판 배치만큼 중요한 일정 중 하나로 이를 통해서 JWST 궤적을 조정하게 된다. 망원경을 L2 지점에 보내기 위한 대부분의 에너지는 로켓에 의해서 제공되지만, 라그랑주점 L2 주변 궤도에 성공적으로 진입하기 위해서 자체적으로 중간 추력 보정 기동이 필요하다. 너무 많은 추진력을 얻게 되면 망원경 광학 장치들과 망원경의 구조가 태양에 직접 노출되며 과열되기 시작하는데 이 경우엔 모든 과학 임무가 중단되게 되기 때문에 이는 매우 정교하게 조절되어야 한다. JWST 팀은 3단계에 걸쳐서 알맞은 속도로 조절하는 데에 성공적 했으며 이로써 JWST의 우주여행 첫째 날은 성공적으로 마무리되었다.

연료를 사용(파란 부분)하며 교정 분사를 시작하는 JWST © JWST/NASA

안테나의 성공적인 테스트

발사 하루가 지난 뒤 JWST 팀은 망원경의 고속 데이터 전송 안테나가 포함된 GAA(gimbaled antenna assembly) 과정을 시작했다. 위 안테나는 하루에 두 번 정도 최소 28.6 GB의 과학 데이터를 전송하는 데 사용된다. 총 한 시간에 걸쳐서 성공적으로 테스트 완료한 JWST 팀은 밤새 망원경의 온도 센서와 게이지가 처음 활성화된 것을 확인했다. 이제 JWST 팀은 망원경의 온도 변화를 확인할 수 있게 되었다. 동부 표준시 기준 12월 27일 JWST는 두 번째 교정 분사가 약 9분간 진행되었고 이 역시 성공적으로 수행했음이 확인되었다.

JWST 안테나의 성공적인 테스트 © JWST/NASA

선쉴드 배치의 시작

동부 표준시 기준 12월 28일은 JWST 우주 망원경에게 오전부터 매우 바쁜 날이었다. NASA가 현재까지 우주선에 시도한 제어 중 가장 복잡한 과정인 선 쉴드의 정상 배치 첫 번째 날이기 때문이다. 전방 및 후방 통합 팔레트 구조라고 부르는 이 구조는 매우 조심스럽게 겹겹이 접힌 5개의 선 쉴드들과 함께 선 쉴드를 구성하는 케이블, 도르래 구조 (pulleys) 및 해제 메커니즘 등을 모두 포함하고 있다.

전방 팔레트 배치 © JWST/NASA

JWST 팀은 대략 4시간 동안 성공적인 제어 끝에 동부 표준시 기준 오후 1시 21분에 전방 팔레트 배치를 완료했으며 바로 후방 팔레트 배치를 시작했다. 후방 팔레트의 배치는 대략 동부 표준시 기준 오후 7시 27분에 완료되었다. 전방 및 후방 통합 팔레트 구조의 성공적인 배치 후 제자리에 고정되었기 때문에 동부 표준시 기준 12월 28일 오후부터는 JWST의 모습이 완전히 배치되었을 때의 모습과 닮아가기 시작했다. 팔레트 구조들의 완전한 배치는 총 5일 정도 소요될 예정(동부 표준시 기준 1월 2일까지 예정)이다.

선 쉴드가 제자리에 배치되지 않으면 Webb의 망원경과 장비가 극저온을 유지할 수가 없고 이는 관측의 성공을 보장할 수 없게 된다. 따라서 주기적으로 온도를 면밀히 모니터링하고, 최적의 온도를 제공하기 위해서 태양을 기준으로 망원경을 조정하며 여러 해제 메커니즘을 활성화함과 동시에 궁극적으로 팔레트를 제자리에 고정하게 된다.

후방 팔레트 배치 © JWST/NASA

동부 표준시 기준 29일 오전 9시 직후, JWST 엔지니어링 팀은 망원경의 전개 가능한 타워 어셈블리(DTA: Deployable Tower Assembly – 대략 50여 가지의 과정) 프로세스를 시작했다. 위 과정을 통해서 우주선과 망원경 사이에 공간을 만들게 되고 더 나아진 열 절연 조건을 바탕으로 선 쉴드가 안전하게 배치될 공간을 제공하게 된다. 이 과정은 총 6시간 이상 소요되었으며 주기적으로 프로세스를 정지한 후 매번 체크하면서 매우 섬세하게 진행되었다.

동부 표준시 기준 29일 성공적으로 DTA가 시작되면서 망원경은 다시는 햇빛을 볼 수 없게 되었다. 5층으로 구성된 선쉴드는 수동냉각을 이용하여 망원경의 작동 온도인 45 K (섭씨 -229도 혹은 화씨 -380도)로 낮춘다. 이를 통해서 JWST는 15 ㎛ 미만의 모든 파장에 대해 우주선 자체의 열광(thermal glow)에 의해서 방해받지 않고 관측할 수 있게 된다.

DTA 프로세스의 시작. 우주선과 망원경 사이에 공간을 만들게 된다. © JWST/NASA

후방 모멘텀 플랩 전개

동부 표준시 기준 30일 오전 9시 망원경의 후방 모멘텀 플랩(플랩은 비행기 날개에서 발생하는 양력을 증대시켜 주는 대표적인 고양력장치를 일컫는데,  JWST에서는 망원경 뒷부분에 붙은 부분을 말함) 부분의 배치를 약 8분에 걸쳐서 완료했다. 후방 모멘텀 플랩은 궤도에서 망원경의 방향을 유지하는 데 도움을 주며 JWST의 활동 기간 동안 사용해야 하는 연료를 최소화하는 데 도움을 준다.

예를 들어서 햇빛이 선 쉴드 표면에 부딪히게 되면 선 쉴드에 압력을 가하게 되고 이로 인해서 균형이 깨지게 되면 망원경에 회전을 일으킬 수 있다. 후방 모멘텀 플랩은 이런 현상들에 대해서 균형을 유지하며 망원경을 안정적으로 유지 시키도록 도와준다.

후방 모멘텀 플랩의 전개 모습 © JWST/NASA

이어진 대략 1시간 정도의 작업에서 JWST 팀은 선쉴드의 얇은 층을 보호하는 선 쉴드 커버를 정상적으로 위치시켰다. 이로써 자외선 차단막이 처음으로 우주에 드러나게 되었다.

선 쉴드의 커버가 방출되는 장면 © JWST/NASA

동부 표준시 기준 2021년의 마지막 날 오후 6시 JWST 팀은 4시간에 걸쳐서 두 번째 선 쉴드 미드 붐(mid-boom)을 성공적으로 장착시켰다. 모터로 구동되는 미드 붐은 우주선에서 천천히 밀려나면서 선 쉴드의 접힌 막을 끌어당겼으며 망원경을 가로질러 14.3 m 정도의 너비까지 선 쉴드를 확장했다. 이로써 JWST는 예정되었던 완전한 형태에 매우 비슷하게 변했다.

하지만 이는 당초 예상보다 하루 늦어진 계획인데 JWST 팀은 수십 개가 넘는 과정 중 매 과정 매우 침착하게 확인하고 조절했기 때문이다. 2022년 1월부터는 5개의 자외선 차단층을 맨 아래층부터 분리한 후 개별적으로 팽팽하게 늘리게 된다. 이를 통해서 층 사이에 공간이 생기게 되고 각종 열들이 방출되어 선 쉴드들의 온도는 한 층일 때보다 더 내려가게 된다.

미드 붐의 성공적인 장착과 함께 선 쉴드의 접힌 막(현재까지는 1겹)을 끌어당기는 모습 © JWST/NASA

이로써 제임스 웹 우주망원경의 12월은 큰 실수 없이 성공적으로 마무리 되었으며, 1월에는 제임스 웹 우주망원경의 예정된 최종 목적지에 안착할 예정이다.

 

*모든 시간은 동부 표준시를 기준으로 작성되었음을 알려 드립니다.

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전체 댓글 (2)

  • 박세은 2022년 April 15일1:19 pm

    좋은 기사 감사합니다! 제임스 웹의 근황이 궁금했는데, 구체적으로 알아볼 수 있는 기사였습니다.

    • 김민재 2022년 April 18일7:12 am

      안녕하세요 세은님, 기사에 관심 진심으로 감사드립니다. 이번주에 2편이 연재될 예정이며 (JWST의 1월에 관해서 다룹니다) 3편 (2월-4월) 그리고 4편 (앞으로의 계획)도 이번달 내로 연재될 예정입니다. 다음 기사들도 많은 관심 부탁드립니다 🙂 감사합니다. 좋은 하루 보내세요!

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