지구가 우주를 바라보는 눈 제임스 웹 망원경

지구가 우주를 바라보는 눈 제임스 웹 망원경

지구가 우주를 바라보는 눈 제임스 웹 망원경

허블 망원경보다 100배나 성능이 뛰어난 제임스 웹 우주망원경이 우주로 발사되었습니다. 우주의 신비를 한 꺼풀 벗기는 계기가 될 것으로 기대되는 제임스 웹 우주망원경에 대해 소개해 드리려고 합니다.

개발 경과 및 비용

제임스 웹 우주망원경 개발은 1996년에 시작되었어요. 처음에는 2007년에 발사할 계획이었지만 생각했던 것보다 작업이 복잡해서 거의 15년이나 지난 지금에야 발사하게 된 거예요. 개발 프로젝트에는 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국, 캐나다우주국이 참여했어요. 우주망원경의 이름은 제임스 웹 NASA 국장의 이름을 따서 지었어요. 제임스 웹 국장은 1960~70년대에 인류의 달 착륙을 위한 '아폴로' 프로그램을 추진한 사람 중 한 명이었어요. 개발비용은 처음에는 5억 불로 계획되었지만 개발이 늦어지면서 계속 불어나서 2010년에는 65억 불로 예상되었어요.. 2012년에는 막대한 자금으로 인해 프로젝트가 축소될 위기에 처했는데, 이때 추산한 비용은 87억 불이었어요. 미국 의회에서는 사업 중단을 주장하는 하원과 상원 간에 의견이 달랐어요. 결국 사업 완료 시기를 2019년으로 연기하고 추가자금을 배정하는 것으로 결정되었어요. 하지만 이후에도 새로운 지연요인들이 발생했는데, 주로 우주의 극한적인 조건에서 장비를 가장 잘 적응시키는 것과 관련이 있었어요. 코로나로 인해 발사시기가 더 늦춰지면서 총 투자비용은 총 개발비용은 100억 불이 넘는답니다. 처음 계획할 당시보다 거의 20배 증가한 것이죠.

주요 제원

제임스 웹 우주망원경은 길이 21.5미터, 너비 14.6미터이며 직경 6.5미터의 거대한 거울이 장착되어 있어요. 허블 우주망원경의 후계자로 간주되지만 '후계자'라는 용어는 정확한 것이 아니에요. 두 우주망원경의 비교를 통해 제임스 웹 우주망원경이 어떤 망원경인지 알아볼게요. 허블 우주망원경이 지구에서 550km 떨어진 지점에서 지구 궤도를 도는데 비해 제임스 웹 우주망원경은 150만 km 떨어진 곳에 위치하게 돼요. 두 우주망원경이 완전히 다른 임무를 맡고 있다는 것을 의미하는 것이죠. 허블 우주망원경의 주요 목표 중 하나는 우리 은하 및 다른 가까운 은하들과 같은 지구에서 가까운 우주공간 연구인데 비해 제임스 웹 우주망원경은 무엇보다도 우주의 가장 먼 구석을 연구하는 데 중점을 두고 있어요. 허블 우주망원경은 자외선과 가시광선을 기반으로 하지만 제임스 웹 우주망원경은 적외선 범위에서 작업해요. 이것은 가시광선을 흡수하는 먼지 뒤에 감춰져 있는 은하를 포함하여 가장 멀리 있는 은하들을 관찰하는 데 집중할 것임을 의미하는 것이에요. 그리고 허블 우주망원경은 우주비행사가 직접 관리·수리할 수 있지만, 제임스 웹 우주망원경은 먼 거리로 인해 직접 수리하는 것은 불가능해요. 고장이 나면 전문로봇이 수리하게 돼요. 거울이 얹힌 제임스 웹 우주망원경의 모양은 대포처럼 보이는데, 우연히 그런 모양이 된 것이 아니라 망원경에 설치된 기기들이 매우 민감하기 때문에 그런 거예요. 우주망원경에 장착된 기기들은 지구와 달 정도의 거리에서 벌이 내는 열을 포착할 수 있을 만큼 고감도예요. 우주망원경은 원하는 열 신호만 포착하고 지구, 달, 태양 등에서 나오는 신호는 피해야 하지만 태양으로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 태양빛도 계속 비쳐야 해요. 바로 이 때문에 우주망원경은 여러 층의 보호막을 가진 다이아몬드 형태를 갖게 된 거예요. 이들 다섯 층의 막은 엄청나게 얇고 가벼워요. 태양의 직접적인 영향을 받는 첫 번째 막은 두께가 0.05mm이에요. 나머지 네 개의 막은 더 얇아서 0.025mm 밖에 되지 않아요. 이 보호막들은 카프톤이라는 특수재료로 만들어졌으며, 위쪽은 100 나노미터 두께의 알루미늄으로 덮여있어요. 이러한 보호막들은 우주망원경의 온도를 일정하게 유지하는 데 필요해요. 우주망원경의 바깥쪽은 120도 이상까지 온도가 올라가지만 다섯 번째 막은 -230도 정도예요. 이 모든 것은 초고감도의 감지기들이 적정 온도에서 작동하고 불필요한 신호를 포착하지 않도록 하기 위해 설계된 거랍니다.

우주망원경의 거울

허블 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경의 거울 크기 비교 제임스 웹 우주망원경의 거울은 직경이 6.5미터예요. 직경이 2.1미터에 불과한 거울을 가진 허블 우주망원경으로도 '허블 울트라 딥 필드'에서처럼 수많은 것들을 볼 수 있었는데, 직경 6.5미터의 우주망원경으로 무엇을 할 수 있을지 생각만 해도 기대가 되네요. 허블 울트라 딥 필드(Hubble Ultra Deep Field) : 2003~2004년에 허블 우주망원경이 거의 아무것도 보이지 않는 우주 공간을 11일 동안 촬영한 결과 위와 같은 사진이 얻어졌다. 절대적인 어둠 속에서 수십 억 개씩의 별을 갖고 있는 은하가 1만 개나 발견된 것이다. 허블 우주망원경이 촬영한 부분은 우주 전체의 1,300만 분의 1밖에 안 되는 작은 공간이었다. 이 사진은 전 세계를 뒤흔들었다. 제임스 웹 우주망원경의 거울은 벌집 모양이에요. 이런 모양을 갖게 된 건 크기와 무게 때문이에요. 가능한 한 많은 빛을 포착하기 위해서는 큰 거울이 필요한데 로켓에 실을 수 있는 크기에는 제약이 있기 때문에 이런 모양을 갖게 되었어요. 거울 18개로 구성된 전체 거울 시스템은 접히게 되어 있는데, 접힌 상태로 발사된 후에 우주 공간에서 펼쳐지게 돼요. 6 각형을 사용하면 틈을 최소화시키면서 원에 가까운 형태를 만들 수 있다는 점도 제임스 웹이 벌집 모양을 띠게 된 한 가지 이유예요. 이 거울들은 매우 흥미로워요. 무게 제약으로 인해 완전히 새로운 세대의 거울을 제작해야 했어요. 허블 우주망원경처럼 알루미늄으로 만들면 너무 무거워져요. 그래서 주기율표에서 가장 가벼운 원소 중 하나인 베릴륨을 사용했어요. 베릴륨은 알루미늄보다 거의 세 배 이상 가볍고, 자성을 띠지 않으며, 극저온으로 냉각될 때 크기가 거의 변하지 않아요. 특히 세 번째 특성은 무척 중요한데, 그것은 거울과 감지기들이 영하 약 230도에서 작동하기 때문이에요. 그리고 적외선의 반사율을 높이기 위해 거울에는 금으로 매우 얇은 막도 입혔어요. 이들 거울은 하나의 거울이 아니라 여러 거울로 이루어진 시스템이기 때문에 센서의 정확한 초점을 맞추기 위해서는 각각의 거울을 매우 정확하게 조정해야 해요. 이를 위해 거울에는 미크론 단위까지 정확하게 조정할 수 있는 132개의 모터가 달려 있어요.

발사 및 임무

제임스 웹 우주망원경은 아리안 5호 로켓에 실려 발사돼요. 발사될 때는 엄청난 진동과 140 db 이상의 굉음과 같은 모든 부하를 견뎌내야 해요. 발사 후에는 고치 속 나비처럼 완전히 펼쳐져요. 제임스 웹 우주망원경은 태양전지판, 보호막, 거울과 같은 모든 장치들이 시계처럼 정확히 작동해야 해요. 고장이 나도 지구 궤도에 있는 허블 우주망원경처럼 직접 가서 고칠 수가 없기 때문이에요. 이 때문에 과학자들은 지난 수년간 우주망원경의 모든 시스템을 수십 번 테스트했어요. 발사가 계획대로 진행된 후에 제임스 웹 우주망원경은 어떤 일을 하게 될까요? 주요 임무는 먼 과거를 들여다보는 것이에요. 빅뱅 후 수백 만 년 후의 초기우주를 사진에 담게 돼요. 이러한 사진들은 최초의 은하들이 어떻게 형성되었고, 그 후에 무슨 일이 일어났는지에 관해 우리에 많은 것을 알려주게 될 거예요. 제임스 웹 우주망원경의 두 번째 임무는 외계행성 연구예요. 현대의 이론에 따르면 우주의 각각의 별들은 주변을 돌고 있는 외계행성을 평균 1 개 갖고 있어요. 하지만 우리가 이에 관해 알고 있는 것은 무척 적어요. 제임스 웹 우주망원경은 우리 지구처럼 30℃ 정도의 온도를 가진 외계행성들을 연구할 수 있게 해 줄 거예요. 이밖에도 특수 분광기의 도움으로 별 주위의 원시행성 원반도 연구할 수 있게 될 거예요. 이것은 우리에게 행성과 위성들의 형성에 대해 많은 것을 알려주게 될 거고요 가장 흥미로운 것은 외계행성의 대기분석 등을 통해 생명체의 징후를 찾는 것일 거예요. 제임스 웹 우주망원경은 메탄, 이산화탄소, 물 같은 것을 찾을 수 있어요.

제임스 웹 우주망원경의 주요 임무(목표)

-빅뱅 이후 형성된 최초의 별들 관측

-은하들의 형성 기원 및 진화 연구

-별 형성 연구

-알려지지 않은 행성계 연구 및 발견

우주망원경에 대한 기대

모든 일이 순조롭게 진행되고 제임스 웹 우주망원경이 약 1개월간의 항해 끝에 라그랑주 L2 지점에 성공적으로 도착하게 되면 우리는 지구와 우리 은하, 우주 전체의 형성에 대해 수많은 정보를 얻게 될 거예요. 우리는 다른 세계를 연구하고 우리 주변의 다른 행성들이 어떻게 작동하는지 이해할 수 있는 강력한 도구를 얻게 될 것이고, 아마도 간접적인 생명체의 징후도 찾을 수 있을 거예요. 1990년에 허블 우주망원경의 임무가 새로운 천문학 시대로의 진입을 알리는 것이었다면, 30년간의 기술 개발 끝에 그 뒤를 이을 제임스 웹 우주망원경은 상상할 수 없는 먼 거리를 관측할 수 있는 완전히 다른 메커니즘을 갖고 있어요. 제임스 웹 우주망원경은 우주에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으키게 될 거예요. 30년 이상 작동하고 있는 허블 우주망원경과 달리 제임스 웹 우주망원경은 연료 부족으로 인해 수명이 10년밖에 안 돼요. 하지만 이 기간 동안 제임스 웹 우주망원경은 알려지지 않은 새로운 세계를 우리에게 열어줄 것이라고 기대하고 있습니다.