우주로 향한 새로운 눈 ‘제임스 웹 우주망원경’

최초의 빛을 넘어 빅뱅 이후 빛을 잡아라!

지구에서 1천150광년 떨어진 외계행성을 관찰한 우주로 향한 인류의 새로운 눈 ‘제임스 웹 우주망원경’이 이 행성 대기에 수증기가 존재하고 있음을 확인했다.

천문학에서 가장 오래된 질문, 우주의 기원에 대한 답을 구할 ‘제임스웹우주망원경’이 드디어 우주로 향했다. 1989년 허블우주망원경의 뒤를 이을 차세대 우주망원경으로 고안된 지 32년 만이다. 태양 주위 궤도에 성공적으로 정착할 경우, 블랙홀의 비밀과 외계생명체의 존재 등 우주 비밀을 풀 단서를 찾을 수 있을 것으로 기대되고 있다.

미국 항공우주국(NASA)이 7월 12일(현지시간) 차세대 우주망원경인 제임스 웹 우주망원경((JWST.이하 웹망원경)을 통해 지구에서 1천150광년 떨어진 외계행성에서 수증기 형태의 물을 확인했다고 밝혔다. 웹 망원경은 WASP-96 b와 이 행성의 대기가 별 앞을 지나갈 때 발생하는 현상을 관측했고, 이 행성 대기에 수증기가 존재하고 있음을 확인했다.

이 기사는 지구에서 1천150광년 떨어진 외계행성을 관찰한 우주로 향한 인류의 새로운 눈 ‘제임스 웹 우주망원경’에 관해 노벨사이언스는 지난 2022년 2월호에 상세하게 게재한 기사이다. 노벨사이언스는 앞서가는 최첨단 과학기술 게재하는 품격 높은 과학저널지이다. <편집자 주>

NASA가 막대한 자본을 투입한 제임스 웹 우주망원경 최종 점검하는 장면 .(나사)

허블우주망원경 뒤를 이를 차세대 웹망원경

미국 항공우주국(NASA)이 막대한 자본을 투입한 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)이 2021년 12월 25일(현지시각) 발사되면서, 인류를 위한 성탄 선물로 불렸다.

웹 망원경을 실은 아리안5호는 이날 오후 12시20분께 남미 프랑스령 기아나 유럽우주국(ESA) 우주발사기지에서 발사됐다. 웹망원경은 발사 27분가량 뒤인 오후 12시47분께 아리안5호에서 분리돼, 지구 중력에서 벗어난 뒤 스스로 펴지기 시작했으며, 이후 망원경으로 기능할 수 있게 된다.

이처럼, 우주 형성 초기를 관측하고 허블우주망원경의 뒤를 이을 최첨단 인류의 눈 ‘제임스웹 우주망원경’이 지난달 8일, 지름 6.5m의 주반사거울(주경)을 펼치는 데 성공했다. 이는 기아나 유럽우주센터에서 발사된 뒤 약 보름만이다. 미국 볼티모어 소재 우주망원경과학연구소의 지상통제센터는 제임스웹 우주망원경이 18개의 주경 전개를 완료했다고 발표했다.

제임스웹 우주망원경은 허블우주망원경의 뒤를 이을 세계 최대 규모 차세대 우주망원경이다. NASA와 ESA, 캐나다가 지난 25년간 연구와 개발에만 약 100억달러(약 11조9,250억원)를 투입해 개발했다.

제임스웹 우주망원경은 1.3m 크기 육각형 거울 18개를 벌집 형태로 이어 붙인 주경의 지름은 6.5m이며 4개의 적외선 관측 장비를 갖춘 것으로 알려졌다. 태양열과 빛으로부터 보호하기 위한 차단막은 가로 21m, 세로 14m 크기다.

‘카이퍼 띠’ 등 태양계에 속한 외행성도 별도 관측할 수 있을 것으로 기대를 모은다.(나사)

특히 웹망원경 발사 후 첫 번째 고비로 지적됐던 태양열 차단막이 성공적으로 전개돼 눈길을 끈다. 웹망원경이 고난도의 차광막 전개에 이어 주경 전개를 완료함에 따라, 이후 주경 정렬을 위해 준비단계에 돌입했다. 웹의 육각형 거울 18개를 벌집의 형태로 이어붙여 만든 주경은 지름이 6.4m로, 2.4m인 허블보다 2배 이상 크며, 집광력은 7배가 넘는다. 18개의 육각 거울은 얇은 금을 코팅한 베릴륨으로 만들었다. 이는 금의 빛 반사율이 98%로 가장 높기 때문이다.

NASA는 연기되었던 웹 망원경의 개별 거울 부분을 정렬하는 작업을 지난해 12일 시작했다. 이 프로세스는 주경의 18개 육각형 거울이 정밀한 조정과정을 거쳐 단일 집광표면으로 기능하게끔 하는 작업이다.

낱개 거울은 거의 풀이 자라는 속도로 천천히 움직여져 완벽한 단일 집광표면을 구성하게 된다. 거울 정렬은 150나노미터(10억분의 1m)의 정확도까지 완벽이 요구되므로, 이과정은 힘들고 시간이 많이 걸리는 작업이다. 참고로, 종이 한 장의 두께는 약 10만 나노미터이다.

그동안 웹은 지구-태양 라그랑주 2지점(L2)까지 긴 여행을 계속하는 것으로 나타났다. 웹의 여정은 NASA의 제임스웹 추적 웹사이트(NASA's tracking website)를 참조할 수 있다.

NASA는 전개 가이드에 의하면, 이 작업은 발사 때 접었던 18개의 주경 거울(조정 가능) 각각을 움직이는 다단계 활동으로 여러 날이 걸리는 작업으로, 주경 낱개 거울과 부경은 각 거울의 뒷면에 부착된 6개의 작동기에 의해 움직이는 것으로 나타났다. 또한, 주경의 낱개 거울에는 곡률을 조정하는 추가 작동기가 중앙에 있으며, 망원경의 3차 거울은 고정되어 있다.

NASA는 웹의 거울 정렬 작업이 완료되기까지 발사 후 최대 120일이 소요될 것으로 추정된다.

제임스웹 망원경은 발사 후, 29일간 우주를 항해해 태양 주위 궤도에 진입.(ESA)

역대 최대 우주망원경의 임무

제임스웹 망원경은 발사 후, 29일간 우주를 항해해 태양 주위 궤도에 진입할 예정이다. 이는 지구에서 약 161만㎞ 떨어진 곳으로, 지구와 달 사이 거리의 네 배 정도로 알려졌다. 이후 관측 준비를 마치는 데 5개월가량 소요될 예정이다.

웹 망원경은 우주 형성 초기 일어났던 일들을 관찰하는 것이 주 임무다. 허블보다 약 100배 강력한 성능을 갖췄고 허블과 달리 적외선을 관찰할 수 있다. 적외선 관측 장비를 4개나 갖춰 파장이 긴 적외선을 잘 포착할 수 있다. 이에 따라 주로 가시광선을 관찰하는 허블보다 훨씬 더 멀고 희미한 우주 물체를 볼 수 있는 것이다.

먼 우주에서 오는 전파는 점차 파장이 길어져 적외선으로 바뀌게 되는데 이를 관찰할 수 있게 된다. NASA는 136억 광년 바깥의 은하에서 적외선을 수집해 우주 생성 직후의 모습을 관찰할 것으로 기대하고 있다. 현재 천문학자들은 우주의 팽창을 이끈 빅뱅이 약 138억 년 발생했다고 본다.

NASA가 막대한 자본을 투입한 제임스 웹 우주망원경.(나사)

허블 망원경은 1990년 나사가 지구 상공 559km 지점에 쏘아올린 우주 망원경으로, 지난 31년간 150만 장이 넘는 우주 사진을 찍어 지구로 전송했다. 그 덕분에 우리는 블랙홀의 존재, 목성의 위성인 유로파의 물기둥, 지구에서 131억 광년 떨어진 은하도 확인할 수 있었다.

웹 망원경의 목적지는 지구에서 약 150만 km 떨어진 ‘라그랑주2’ 지점이며, 지난달 말쯤, 목표 궤도에 도달했다. ’라그랑주2′는 중력과 원심력이 상쇄돼 중력이 ‘0’이 되는 곳이다. 중력의 영향이 없기 때문에 빛이 왜곡되지 않고, 궤도를 유지하기 위한 연료를 대량으로 쓸 필요가 없는 것으로 알려졌다. 다만 망원경이 지구에서 너무 멀리 있기 때문에 고장나더라도 수리는 불가능하다.

NASA에서 제임스 웹 우주망원경 개발팀을 이끈 리 파인버그 박사는 “제임스 웹 우주망원경은 허블 우주망원경의 영상에 익숙한 사람들도 압도할 잠재력이 있다”며 “웹은 우리가 바라보는 모든 곳에서 엄청난 방식으로 새로운 지평을 열 것”이라고 기대했다.

빌 넬슨 NASA 국장은 웹망원경을 ‘타임머신’에 비유하며 “우주를 더 잘 이해할 수 있게 도와줄 것”이라며 “우리가 누구인지, 무엇인지와 영원한 탐색을 제공할 것”이라고 밝혔다.

제임스웹 망원경은 발사 후, 29일간 우주를 항해해 태양 주위 궤도에 진입.(ESA)

블랙홀 비밀·외계생명체 존재 찾을까

제임스 웹 우주망원경은 크게 4개의 핵심 목표를 가지고 있다. 최초의 별과 은하 관측, 은하의 형성과 진화 연구, 별과 행성계의 형성 연구, 행성계와 생명의 기원 연구 등 가시광선보다는 적외선이 더 효과적인 연구 주제이다.

웹 망원경의 최종 목표는 최초의 빛을 넘어 우주대폭발(빅뱅)이 있던 시기 이후 3억년 이내 전환기 빛을 잡는 것이다. 이 시기 우주 확장과 냉각과정을 거쳐 최초 항성들이 태어난 것으로 알려졌다.

특정 행성 대기 연구도 기대되고 있다. 프록시마 센타우리(Proxima Centauri) 항성 주위를 도는 프록시마 b(Proxma b) 행성 등 먼 곳에 있는 태양에서 가장 가까운 별이 대표적으로 꼽힌다. 이는 산소, 메탄 및 외계 생명체 존재를 식별하는 분자들을 추적하기 위해서다.

해왕성 궤도 외부에 있는 소천체 전부를 칭하는 ‘카이퍼 띠’(Kuiper belt), 하우메아(Haumea), 마케마케(Makemake), 오르쿠스(Orcus), 세드나(Sedna) 등 태양계에 속한 외행성도 별도 관측할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

과학계에서는 웹 망원경을 통해 블랙홀·암흑에너지·외계행성의 비밀과 외계 생명체 존재 가능성에 대한 실마리도 찾을 수 있기를 기대하고 있다. 외신은 천문학자들이 웹 망원경을 통해 관측할 태양계 밖 외계행성 약 65개 목록을 만들어 뒀다고 전했다. 외계행성 대기 성분을 분석해 외계 생명체의 존재 가능성에 대한 과학적 근거가 나올지 주목된다. 지금까지 은하계에서는 외계행성 총 4878개가 발견됐다. 이에 웹 망원경의 임무가 성공할 경우 우주에 대한 혁신적인 이해를 제공할 수 있을 것으로 관측하고 있다.

갈릴레오의 작은 망원경을 통한 목성 위성 발견이 이탈리아 역사에 갖는 의미만큼이나 이번 프로젝트가 NASA에 있어서 매우 중요하다. 웹망원경에는 10년간 사용할 수 있는 연료가 장착돼 있으며, 지구에서 바라보는 태양 뒤편에 자리하는 만큼 우주인 파견이 어려워 수리는 불가능하다.

한편, 제임스 웹 망원경은 NASA의 숙원 사업으로, 1950년대 국무부 출신 나사 국장 이름을 땄다.