The Science Times

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.

JWST 거울 및 미세 정렬 작업이 시작되다

동부 표준시 기준 2022년 2월 1일 현재, 드디어 모든 전개 과정을 마치며 날개를 펴고 멋진 모습을 드러내기 시작한 JWST는(관련 기사 바로 가기) 대략 3개월 정도로 예정된 망원경 거울 및 미세 정렬 작업 그리고 망원경 및 기기들의 냉각과정만 남겨두고 있다.

Ball Aerospace와 미항공우주국(NASA)의 Goddard Space Flight Center 엔지니어 및 과학자 팀은 이제 NIRCam으로 촬영한 데이터를 사용하여 망원경을 점차 정렬하게 된다. 팀은 실제 모델과 비교하여 1/6 크기를 지닌 모델 망원경을 이용하여 알고리즘을 개발하고 시연했으며 JWST 발사 전 여러 차례 테스트를 성공적으로 마무리했다. 위 정렬 과정은 시험 운전을 준비하는 과정이기에 정렬 과정을 마치게 되면 JWST 망원경은 첫 시험 운전을 시작하게 된다.

JWST의 주경은 참고로 18개의 개별 거울 세그먼트(segmetns)로 구성되어 있다. 주경의 크기가 미국 대륙이라면 각각의 18개 세그먼트는 텍사스주의 크기와 비슷하다. 이들은 고정밀 단일 광학 표면으로 함께 작동해야 하므로 JWST 망원경 시험 운전 준비 단계는 이전 우주 망원경들보다 훨씬 오래 걸린다.

주경의 각 세그먼트와 위치ⓒ JWST/NASA

18개의 기본 거울 세그먼트들로 이루어진 주경이 단일거울의 형태로 작동하려면 모든 세그먼트가 일정한 빛의 파장 (약 50nm)에서 일치되어야 한다. 정렬 및 시험 운전 준비 단계는 총 7가지로 나뉠 수 있는데 세그먼트 이미지 식별 (Segment Image Identification), 세그먼트 정렬 (Segment Alignment), 이미지 스태킹 (Image Stacking), 거친 위상 (Coarse Phasing), 미세 위상 (Fine Phasing), 기기 시야에 대한 망원경 정렬 (Telescope Alignment Over Instrument Fields of View), 최종 수정을 위한 반복 정렬 (Iterate Alignment for Final Correction) 등 7가지 단계로 이루어진다.

7단계가 반드시 모두 순서대로 진행되는 것은 아니다. 여러 과정이 반복할 수 있도록 유연하게 설계되어있는 모듈식 알고리즘을 따르며 대략 3개월간의 망원경 정렬이 끝나면 JWST는 장비 시험 운전을 위한 최종 준비를 마치게 된다.

JWST 거울 및 미세 정렬 작업 1번째 단계 – 세그먼트 이미지 식별 (Segment Image Identification)

먼저 JWST 우주선을 기준으로 망원경을 정렬하는 과정이 필요하다. JWST 우주선은 우주선용 GPS로 불리는 “별 추적기(star trackers)“를 이용하여 매우 정확한 포인팅 동작을 할 수 있는데 처음 별 추적기에서 파악하는 우주선의 위치가 각 18개의 거울 세그먼트의 위치와 정확히 일치하지 않을 수 있다. 이는 각 거울은 발사 후 전개가 완료되었을 때 처음 각각 다른 부분을 향해서 기울어져 있기 때문이다.

동부 표준시 기준 2월 2일 JWST 팀은 NIRCam(근적외선 카메라) 기기를 이용하여 거울 정렬의 첫 번째 단계인 세그먼트 이미지 식별 (Segment Image Identification)을 시작했다고 밝혔다. NIRCam을 초기 정렬단계에 이용한 이유는 위기기는 다른 기기보다 높은 온도에서 안전하게 작동할 수 있으며 넓은 시야를 가지고 있기 때문이다. 여전히 냉각을 진행하고 있는 NIRCam이 120K(섭씨 -153도 혹은 화씨 -243도)에 도달하면 광학 팀이 18개의 주경 세그먼트를 세심하게 움직이며 단일 거울 표면을 형성할 준비가 된다. 따라서 JWST의 모든 기기 중 첫 번째로 광자를 탐지하는 기기는 NIRCam이 된다.

세그먼트 이미지 식별과정 ⓒ JWST/NASA

JWST 팀은 먼저 큰곰자리의 밝고 고립된 별인 HD 84406을 주 타깃으로 삼았으며 18개의 기본 거울 세그먼트 각각에서 동일한 별의 별빛을 식별하며 NIRCam을 통해서 빛을 수집할 준비가 되었는지 확인을 시작했다. 근적외선 카메라(NIRCam)기기를 통해서 첫 별빛을 감지해 내어 18개의 무작위로 구성된 별빛 점의 이미지 모자이크를 얻은 JWST 팀은 이를 통해서 망원경을 정렬하고 초점을 맞추게 된다. 참고로 위 초기 결과는 시뮬레이션 결과와 거의 일치했다. 따라서 세그먼트 이미지 식별을 시작으로 위 18개 이미지가 하나의 이미지가 될 때까지 점진적인 조작을 수행하게 된다.

세그먼트 이미지 식별완료 ⓒ JWST/NASA

JWST 거울 및 미세 정렬 작업 2번째 단계 – 세그먼트 정렬 (Segment Alignment)

세그먼트 이미지 식별과정이 끝나면 추가 분석을 통해서 모든 이미지가 공통으로 한군데를 가리킬 수 있게 위치 오류들을 수정하는 세그먼트 정렬을 수행해야 한다. 위 작업은 보조 거울을 약간 움직여 세그먼트 이미지의 초점을 흐리게 하는 것으로부터 시작한다. 초점이 흐려진 이미지들에 위상 복원(Phase Retrieval)이라고 부르는 수학적 분석을 이용하여 세그먼트의 정확한 위치 오류를 결정하게 된다. 위 단계는 모든 거울의 빛을 중첩하여 조화롭게 작동할 게 만드는데 핵심적인 단계라고 할 수 있다.

세그먼트 이미지 정렬 완료 ⓒ JWST/NASA

몬트리올 대학교의 르네 도용 박사(Dr. René Doyon)와 나탈리에 오울레테 박사(Dr. Nathalie Ouellette)에 따르면 2월 13일 FGS(Fine Guidance Sensor)을 이용하여 첫 번째 미세 작업을 성공적으로 수행했다고 밝혔다. 참고로 미세작업의 정확도는 뉴욕시에 있는 사람이 500 km 떨어진 캐나다 국경에서 눈을 깜박이는 사람의 눈 움직임을 포착할 수 있을 정도라고 한다.

세그먼트 이미지 정렬 완료 ⓒ JWST/NASA

세그먼트 위치 오류들을 조정하고 나면 18개의 잘 수정된 “망원경”이 만들어지지만, 아직 세그먼트는 단일 거울로 함께 작동하지 않는다.

JWST 거울 및 미세 정렬 작업 3번째 단계 – 이미지 스태킹 (Image Stacking)

모든 빛을 한곳에 모으려면 각 세그먼트 이미지들이 서로 겹쳐져야 한다. 이미지 스태킹 단계에서는 개별 세그먼트 이미지를 이동한 후 필드 중앙에 정확하게 떨어지도록 하여 하나의 통합 이미지를 생성하게 된다.

이미지 스태킹 시뮬레이션 결과 ⓒ JWST/NASA

위 작업은 거리에 따라서 나누어진 총 3개의 그룹(A-세그먼트, B-세그먼트, C-세그먼트)별로 수행된다. 즉 한 번에 6개의 거울 세트씩 활성화한 후 별빛의 모든 점이 서로 겹칠 때까지 수행된다.

중심으로부터 거리에 따라서 나누어진 세그먼트 3 그룹들 ⓒ JWST/NASA

동부 표준시 기준 2월 25일 JWST 팀은 총 7단계의 거울 정렬 중 세 번째 단계까지 성공적으로 수행했다고 밝히며 네 번째 단계인 거친 위상 조정 단계로 진입했다고 밝혔다.

이미지 스태킹 과정ⓒ JWST/NASA

이미지 스태킹 완료 ⓒ JWST/NASA

JWST의 냉각도 꾸준히 진행되고 있다

동부 표준시 기준 2022년 2월 JWST는 망원경 거울을 정렬하는 긴 과정을 시작했지만 JWST 망원경의 냉각과정 역시 꾸준히 진행되고 있다.

JWST의 냉각은 가장 먼저 NIRCam을 필두로 꾸준히 진행되고 있다. ⓒ JWST/NASA

거대한 선쉴드는 망원경과 카메라 및 과학 기기들을 직사광선 그리고 지구와 달에서 반사되는 햇빛 등으로부터 보호한다. 선쉴드의 차가운 면은 수동적으로 냉각되며 우주 공간으로 열을 방출하기 시작한다. 선쉴드를 통과하는 밀리 와트 에너지와 기기 자체의 전자 장치에서 생성된 열이 정확히 열 손실의 균형을 맞추게 된다. 위 수동 냉각과정은 이는 선쉴드가 완전히 전개되고 나서부터 시작되었으며 망원경과 3개의 NIR(근적외선) 기기가 정상 상태 온도에 도달할 때까지 계속될 예정이다.

주경은 50K (섭씨 -223도 혹은 화씨 -370도) 미만으로 냉각되고 NIR 기기는 약 40K (섭씨 -233도 혹은 화씨 -387도) 정도에 도달할 것으로 예상된다. 주경의 각 세그먼트는 온도가 모두 다르다. 2월 9일 현재, 선쉴드에 가까운 세그먼트들의 온도가 조금 더 높다. 전체적으로 거울의 모든 부분이 10K 정도 더 냉각될 것으로 예상되며 최종 온도는 대략 15~20K 정도 될 것으로 기대된다. 반면 지지 구조의 끝에 매달려 있는 보조 거울(부경)은 ~30K (섭씨 -243도 혹은 화씨 -406도)정도의 온도로 이미 차갑게 냉각된 상태이다.

2월 9일 현재 주경 구성 요소들 (PMSA)과 부경 구성 요소들 (SMA)의 온도 ⓒ JWST/NASA

반면 MIRI(Mid-Infrared Instrument)는 훨씬 더 냉각되어야 한다. MIRI는 수동 냉각 외에도 폐쇄 사이클 기체 헬륨 극저온 냉각기에 의해서 7K 미만의 온도로 냉각된다. 액체 헬륨을 증발시켜서 우주로 배출함으로써 냉각되었던 이전의 일부 극저온 임무와는 다르게 MIRI의 냉각기는 냉각기가 자체 냉각수를 지속해서 재활용하며 헬륨을 재사용하게 된다. 동부 표준시 기준 2월 10일 현재 망원경을 제외한 과학 기기들의 온도는 대략 약 75K (섭씨 -198도 혹은 화씨 -324도) 정도이며 최종 작동온도에 도달하기 위한 여러 추가 냉각 과정이 시작되었다.

JWST의 목적을 달성하기 위해서는 냉각은 필수이며 이는 다년간의 적외선 임무들을 통해서 꾸준히 준비되었다. 1800년대부터 적외선을 이용한 관측이 시작되었지만, 적외선 관측에 큰 획을 그은 관측 미션은 IRAS (적외선천문위성)과 ISO (Infrared Space Observatory)이다. 위 관측들도 망원경을 얼마나 냉각시킬 수 있느냐가 가장 큰 화두였다. 보통 액체 헬륨을 이용하여 내부를 차갑게 유지할 수 있지만 이를 위해서는 망원경의 크기가 어느 정도 이상 커질 수가 없다는 단점이 있다. 따라서 JWST는 열을 지속해서 우주로 방출하며 헬륨을 재활용하는 방법을 택했으며, 이는 NASA의 적외선 우주망원경 스피처(Spitzer)와 ESA의 Herschel 망원경에서 처음 이용된 기법이다.

* 모든 시간은 동부 표준시를 기준으로 작성되었음을 알려 드립니다.

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