제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? (5)

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제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? (5)
[4월 과학의 달 특집] 이제 시운전 단계만 남았다

2022.05.18 09:00 김민재 리포터

다음 6편은 제임스 웹 우주망원경의 업데이트 마지막 편으로 여러 가지 시운전들에 관해서 소개할 예정입니다. 많은 관심 부탁드립니다.

인류의 새로운 눈이 되어 줄 제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? 제임스 웹 우주망원경의 발사부터 현재까지 진행된 사항들을 종합하고 앞으로 예정된 계획을 정리해본다.

기기 시운전을 위한 모든 준비가 완료된 제임스 웹 우주 망원경

미국 동부 표준시(EST)로 2022년 4월 28일, 미 항공 우주국(NASA)의 커뮤니케이션 담당자 타데우스 케사리(Thaddeus Cesari)는 제임스 웹 우주 망원경(JWST: James Webb Space Telescope)의 모든 정렬 과정이 완료되었다고 발표했다. (관련 영상 바로 가기)

JWST 팀은 총 7개의 정렬단계 중 마지막 단계를 완료함과 동시에 회의를 열었고 처음부터 모든 정렬단계를 전체적으로 검토하기 시작했다. JWST 팀은 4개의 과학 장비들이 매우 선명하며 초점이 잘 맞는 이미지를 촬영할 수 있음을 확인했으며, 따라서 다음 과정인 시운전 단계(commissioning)를 위한 준비과정에 돌입할 수 있음을 확인했다. NASA 고다드 우주 비행 센터의 광학 망원경 구성 요소 관리자 리 파인버그 박사(Dr. Lee Feinberg)는 성공적으로 정렬이 완료된 망원경의 시험 이미지는 인류의 우주 탐험 의지를 보여준다고 감회를 밝혔다.

각 과학 장비의 시야에서 선명하게 초점이 맞춰진 별의 이미지는 망원경이 이미 완전히 정렬되었으며 초점이 완벽히 맞춰져 있음을 보여주고 있다. 참고로 NIRCam(위 이미지는 2 μm 파장 촬영), NRISS(위 이미지는 1.5 μm 파장 촬영) 및 MIRI(위 이미지는 7.7 μm 파장 촬영) 과학 장비는 별의 이미지를 얻기 위한 장비이며, NIRSpec과학 장비는 분광기이지만 보정을 위해서 1.1 μm 파장의 이미지 촬영이 가능하다. 마지막 과학장비는 Fine Guidance Sensor로 가이드 별을 추적하며 망원경의 포인팅을 도와주는 장비이다. © NASA/STScI

정렬과정이 성공적으로 마무리 되었기에 JWST의 거울은 이제 완벽히 초점이 맞으며 빛을 각종 과학 기기로 향할 수 있게 도와준다. 또한, 과학 기기들은 전달되는 빛을 통해서 천체 이미지를 성공적으로 촬영할 수 있다. 물론 앞으로도 주경 세그먼트들에 대한 미세 위상 조정(Fine Phasing: JWST 거울 및 미세 정렬 작업 5번째 단계로 이미 성공적으로 진행되었지만, JWST의 전체 수명 동안 계속해서 꾸준히 진행될 예정)과정은 주기적으로 진행될 예정이다. (관련 글 바로 가기) 대략 이틀에 한 번씩 지속적인 유지 관찰이 진행되며 이를 통해서 거울 정렬을 모니터링하게 된다. 필요할 경우 미세 위상 조정 및 조절이 무작위로 시작될 예정이다.

보다 낙관적인 점은 망원경의 광학 성능이 엔지니어들의 기존 예측보다 더 뛰어나다는 점이다. Ball Aerospace의 JWST 파면 감지 및 제어 관련 담당 과학자인 스캇 악톤 박사(Dr. Scott Acton)는 자신 일생 절반을 바치며 역할을 성공적으로 마무리 지은 감회를 밝히며 이미 촬영된 이미지들은 우주를 보는 방식을 근본적으로 바꾸었다고 주장했다. 또한 그는 세상 사람들이 JWST 망원경을 통해서 우리 근처 수많은 우주 천체를 관측하길 소망한다고 밝혔다.

이제 시운전 단계만 남았다

JWST 팀은 5월부터 대략 2개월로 예정된 과학 기기의 시운전을 진행할 예정이다. JWST의 과학 기기들은 렌즈, 마스크, 필터 등 맞춤형 장비가 장착된 매우 정교한 탐지기들로 여러 다른 목적으로 설계되었으며 각 기기가 목표로 하는 과학을 수행할 예정이다. 시운전 단계에서는 여러 다양한 테스트를 통해서 4가지 모든 과학 기기들이 관측에 대한 준비가 모두 완료되었는지 최종 확인하게 된다.

한편 기본적으로 예정된 기간 동안의 연료만을 가지고 운행해야 하는 JWST 우주망원경은 대략 5-10년 정도의 예상 수명을 가지고 있다. 지구에서 멀지 않은 궤도를 돌고 있기에 우주 비행사가 직접 수리 및 업그레이드를 할 수 있었던 허블 망원경과는 다르게, JWST 우주망원경은 원격 수리만 가능하며 원료가 바닥남과 동시에 수명이 끝나게 된다. 하지만 JWST의 발사 후 궤도 조정 및 정렬 과정이 순조롭게 진행이 되었기에, 위 단계에서 쓰였어야 할 연료 중 상당수가 절약되었다. 따라서 연료의 여유분이 생겼고 JWST의 예정된 수명보다 더 긴 시간을 통해서 우주를 관측할 전망이다.

시운전과 함께 시작될 JWST의 열 안정성 테스트

JWST의 거울들이 최종 작동 온도로 천천히 냉각되고 있는 동안 관측팀은 망원경의 열 안정성 테스트를 준비하고 있다. JWST 망원경에 장착된 5중 선쉴드는 망원경과 과학 기기를 시원하게 유지하고 있으며 태양, 지구 및 달빛으로부터 보호한다. 따라서 기본적으로 선쉴드가 없으면 JWST는 적외선 우주를 관측할 수 없다. 또한 차가운 망원경과 광학기기를 위해서 냉각과정 및 여러 조절 장치도 필요하다.

예를 들어서, JWST가 어떠한 천체를 관측할 목적으로 포인팅을 하며 움직이게 된다면 태양으로부터의 각도도 변경된다. 이때 망원경의 온도에 작은 변화가 생길 수 있다. 여러 예기치 못한 변수들 역시 JWST의 온도를 변화시킬 수 있기에 열 안정성 테스트는 매우 중요한 작업이라고 할 수 있다.

JWST 관측 프로젝트 과학자인 에린 스미스 박사(Dr. Erin Smith)에 따르면 열 안정성 테스트는 먼저 JWST를 의도적으로 움직여서 (“자세”를 바꾼다고 표현함) 태양을 향하거나 혹은 멀어지는 각도(혹은 Pitch라고 부름: 보통 -5도에서부터 +45도 사이에 놓이게 됨) 변화시켜 온도 변화를 유발하게 된다. 이를 통해서 열 안정성 및 포인팅 성능 등을 측정하게 된다. 가장 뜨거운 온도를 유발하는 자세는 0도이며 이때는 태양이 선쉴드를 직각으로 비추고 있게 된다. 가장 차가운 온도를 유발하는 자세는 +45도이다.

Pitch에 따라서 달라지는 JWST의 자세의 예시. 가장 뜨거운 자세(위: Pitch -5도)와 차가운 자세(아래: Pitch +45도) © NASA/STScI

열 안정성 테스트를 시작하기 위해 JWST 팀은 0도 Pitch에서 5일 동안 유지한다. 이때 JWST팀은 포인팅 작업 동안의 안정성, 광학 파면 오류, 그리고 기기에 포함된 각종 장치로 인해 발생하는 모든 진동의 기준을 측정하게 된다. 위 기준 측정이 완료되면 JWST 망원경의 자세는 약 +40도의 Pitch로 변경된다. 이를 통해서 망원경 자체의 열 안정성을 측정하기 하는데, 기본적으로 12시간마다 망원경의 안정성을 모니터링하며 이러한 작업이 여러 과학 장비에 미치는 영향을 조사하게 된다.

스미스 박사에 따르면 JWST 망원경은 기온이 안정될 때까지 한랭한 상태로 일주일 이상을 보낼 것이라고 한다. 이후 다시 한번 각도를 변경시키며 FGS, NIRISS 그리고 NIRCam 등 3가지 과학 장비를 이용한 포인팅이 안정한지 확인하게 된다. 변화하는 열 환경이 중적외선 기기에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해서 MIRI 장비에서는 두 자세 모두 모니터링이 진행될 예정이다. 위 작업은 여러 시운전 준비 활동을 포함하여 공식적인 시운전 활동들과 함께 진행될 예정이다.

NASA 고다드 우주 비행 센터의 수석 프로젝트 과학자인 조나단 가드너 박사(Dr. Jonathan Gardner)와 행성 과학 프로젝트 담당자 스테파니 밀람 박사(Dr. Stefanie Milam)에 따르면 관측팀은 망원경이 열적으로 매우 안정되게 거동하며 열 안정성은 매우 좋은 수준을 보일 것이라고 예측한다. 하지만, JWST는 기본적으로 매우 민감한 망원경이기에 성능을 최적화할 수 있을 때야 비로소 최고의 성능을 보여줄 것이다. 따라서 복잡한 열 모델의 실제 보정은 매우 중요한 작업으로 평가된다.