2021년 말에 발사된 '제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)'은 사상 최대의 천체 망원경이다. 미국의 우주 개발을 주도해 온 NASA의 2대 국장 '제임스 E. 웨브(James E. Webb, 1906~1992)'의 이름을 따서 그 이름을 지었다. '허블 우주 망원경'과 '허셜 우주 망원경'에 이어 다음 세대를 담당할 주력 우주 망원경으로서, 천문학의 발견에 기대가 쏠리고 있다. 새로운 우주 망원경의 목적과 관측 장치, 제작부터 발사까지의 이야기 등 '제임스 웹 우주 망원경에 대해서 알아보자.
0. 목차
- 제임스 웹 우주 망원경
- '주경'은 18장의 분할 거울
- 통합 과학 기기 모듈(ISIM)
- 태양의 열로부터 망원경을 지키는 '차양'
- 발사와 관측 준비
- 갤러리
1. 제임스 웹 우주 망원경
사상 최대의 우주망원경인 '제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)'은 'NASA(미국 항공 우주국)'과 'ESA(유럽 우주기구)', CSA(캐나다 우주국)'가 공동으로 개발해 발사한 적외선 천체 관측 위성이다. 1990년대 중엽부터 계획이 진행되었으며, 그 당시에는 예산 5억 달러, 발사까지의 개발 기간이 10년으로 계획되어 있었다. 하지만 제작비 증가와 거듭되는 스케줄 지연 때문에 몇 번이나 중지가 검토되기도 했다. 최종적으로는 20여 년이라는 세월과 100억 달러 가까운 비용을 들여 2021년에 드디어 발사되었다. '지구 선회 궤도'와는 훨씬 먼 쪽에 자리 잡기 때문에 고장이 나도 '허블 우주 망원경(Hubble Space Telescope)'처럼 수리에 나설 수는 없다.
'제임스 웹 우주 망원경'의 미션 중에 가장 기대되는 과학적 성과의 하나가 '퍼스트 스타'의 발견이다. '퍼스트 스타(First Star)'란 136억 광년 저편에 있는, 빅뱅으로부터 약 2억 년 뒤 주에 처음 탄생한 항성을 말한다. 지금까지의 관측으로 우주는 '빅뱅(Big Bang)'으로부터 138억 년 전에 시작되어, 팽창을 계속하여 현재의 우주가 되었을 것으로 생각된다. 우주가 균일하게 팽창하고 있다면, 멀리 있는 천체일수록 빨리 멀어져 그곳에서 오는 빛이 도달하기까지는 시간이 걸린다. 즉, 먼 곳의 천체일수록 더 과거의 모습을 보는 셈이다. 그것은 과거의 우주를 알기 위한 중요한 정보의 원천이다.
한편, 1990년에 발사된 '허블 우주 망원경(Hubble Space Telescope)'은 이미 32년 넘게 운용되었지만, 아직 때때로 관측을 계속할 예정이다. '허블 우주 망원경'의 주경의 지름은 2.4m이며, 빛을 모으는 능력은 '제임스 웹 우주 망원경'이 6배 정도 크다. '허블 우주 망원경'은 가시광선을 중심으로 자외선부터 근적외선까지 파장역으로 관측하지만, '제임스 웹 우주 망원경'은 주로 적외선으로 관측하기 때문에 직속 후계기는 아니다.
1-1. 제임스 웹 우주 망원경의 기본 구조
- 주경(Primary Mirror): 적외선 반사율이 높은 금으로 코팅된 육각형 거울을 18장 사용해 구성했다. 각각의 거울은 베릴륨으로 만들었으며, 유효 지름은 6.5m이다. 주경의 뒤쪽에는 모든 과학 장치를 격납하는 '통합 과학 기기 모듈(ISIM)'이 있다.
- 차양(Sun Shield): 태양과 지구로부터의 빛과 열을 5층 필름으로 차단한다.
- 트림 플랩(Trim Flap): 차양에 닿은 광자에 의해 일어나는 태양 압력의 균형을 잡고 자세를 안정시킨다.
- 태양 전지(Solar Battery): 항상 태양 쪽으로 향하는 패널로 태양광을 전기로 변환해 우주 망원경의 동력원으로 이용한다.
- 통신용 안테나(antenna for communication): 지상의 관제실과 통신하기 위한 안테나이다. 관측 지시를 수신하고 관측 데이터를 송신한다.
- 우주선 버스(Spacecraft bus): 컴퓨터와 관성을 이용한 자세 제어장치 등 우주선으로 조종·제어 기기의 대부분을 격납한다.
- 항성 추적기(Star Tracker): 별의 배열을 관측하고 식별해, 우주 망원경을 목표 천체로 향하게 하기 위한 소형 망원경이다.
- 부경(Secondary Mirror): 주경이 모은 천체로부터 빛을 '통합 과학 기기 모듈(ISIM)'으로 보낸다.
1-2. 관측은 주로 적외선으로 이루어진다.
'제임스 웹 우주 망원경'의 관측 파장은 0.6~28.5μm이다. 이 영역은 일부 가시광선과 인간의 눈에 보이지 않는 적외선을 폭넓게 포함하며, '제임스 웹 우주 망원경'은 주로 적외선으로 천체를 관측하게 된다. 이렇게 '적외선'으로 천체를 관측하는 데는 합리적인 이유가 있다. 지구로부터 멀어지는 천체에서 나온 빛은 '도플러 효과(Doppler Effect)'에 따라 파장이 늘어나 관측된다. '적색 편이(Redshift)'라는 현상이다. '적색 편이'는 원래 빛 파장이 몇 배로 늘어났는지를 'z'라는 '파라미터(Parameter)'로 나타낸다. 관측 사상 가장 멀다고 하는 은하는 z=11 정도이며, 파장은 z에 1을 더한 12배로 늘어난다. 그 결과, 이 은하로부터의 가시광선은 더 긴 파장의 빛인 적외선 쪽으로 늘어나 지구에 도달한다. 이 은하의 겉보기 거리는 134광년이 되어, 빅뱅으로부터 4억 년 뒤에 존재했던 셈이다.
'제임스 웹 우주 망원경'은 더 먼 z=20 정도의, 빅뱅으로부터 2억 년 정도 경과한 우주에 있는 천체의 관측을 목표로 한다. z가 이렇게 커지면 가시광선보다 파장인 자외선 영역 대부분도 적외선 쪽으로 늘어나 버린다. 이런 천체로부터 오는 빛을 포착하기 위해 '제임스 웹 우주 망원경'은 주로 적외선 관측에 특화한 관측 위성으로 제작되었다.
적외선 관측 능력을 살린 다른 미션도 부여받았다. 하나는 '은하의 진화'를 조사하는 일이다. 거대한 은하는 작은 은하와 합체함으로써 형성된다는 가설이 있는데, 진화 도중에 있는 먼 곳의 은하를 관측함으로써 그 과정을 밝히는 것을 목표로 한다. 또 태양계 박의 항성과 행성의 탄생 현장도 관측할 예정이다. 항성과 행성이 탄생하는 현장은 우주 먼지와 주우주 가스가 가득 찬 성운 내부여서, 가시광선은 방해를 받지만 적외선은 내다볼 수 있다. 나아가 외계 행성의 대기 분석, 특히 산소나 메탄 등 생명 관련 분자의 발견을 목표로 한다. 물론 태양계 안 천체의 관측도 예정되어 있다.
2. '주경'은 18장의 분할 거울
'제임스 웹 우주 망원경'은 지금까지의 우주 망원경과는 상당히 다른 모습을 가지고 있다. 마치 우주에 떠다니는 범선 같은 모습니다. 황금색 돛 같은 부분은 천체로부터 오는 빛을 모으는 '주경(Primary Mirror)'이다. '주경'으로부터 돛을 묶는 줄처럼 뻗은 기둥 끝에는 '부경(Secondary Mirror)'이 있다. 마름모꼴 선체처럼 보이는 은색 부분은 태양과 지구로부터의 열이 망원경 본체에 전해지지 않게 막기 위한 '차양(Sun Shield)'이다. 온도가 있는 물체는 반드시 '적외선'을 복사한다. 그래서 망원경 주위의 물체가 복사하는 적외선이 '노이즈(Noise)'가 되어 관측에 악영향을 미친다. 망원경 주위를 덮는 통도 적외선을 복사하기 때문에 '제임스 웹 우주 망원경'에서는 그것을 제거했다. 따라서 '광학계(Optical System)'가 우주에 노출되어 있는데, 이것은 경량화에도 공헌했다.
'제임스 웹 우주 망원경'의 광학계는 적외선 반사에 뛰어난 '금(Ag)'을 코팅한 반사경으로 구성되어 있다. 천체로부터 빛을 모으는 '주경(Primary Mirror)'은 18장의 육각형 거울로 원에 가까운 형태로 배열되어 있다. 최근에 지상에서 만들어지는 '대형 천체 망원경'에서도 채용하는 '분할 거울 스타일'이며, 우주 망원경에서는 처음 채용되었다. 빛을 모으는 면적으로는 구경 6.5m 망원경과 동등한 성능이며, 이제까지의 광학 우주 망원경으로는 최대이다. 거울의 소재는 경량이며 튼튼한 금속 '베릴륨(Be, 원자 번호 4번)'이다.
3. 통합 과학 기기 모듈(ISIM)
'주경'에 모인 빛은 '부경'이라는 지름 74cm의 볼록 거울로 반사되어 뒷부분의 '광학계(Optical System)'로 보내진다. 여기까지는 시중에서 판매하는 '카세그래인(Cassegrain)'식 천체 망원경과 아주 비슷한 형식이다. 뒤쪽의 광학계 안에서는 오목면 3차 거울에 의해 센서 위에 초점을 맺고 최종적인 천체의 상이 만들어진다. '광학계'의 초점거리는 131.4m이다. 뒤쪽 광학계는 4종의 관측 장치가 모인 '통합 과학 기구 모듈(ISIM: Integrated Science Instrument Module)'에 접속하고 있으며, 관측한 빛은 픽업 미러를 통해 각각의 관측 장치로 배분된다. 흥미로운 점은 3차 거울 뒤에 또 1장의 '파인 스티어링 미러(Fine Steering Mirror, FSM)'라는 평면거울이 있다는 점이다. '제임스 웹 우주 망원경'은 우주 공간에 완전히 정지해 있지 않기 때문에, 관측 장치의 센서 위에 만들어진 천체의 상은 약간 움직여 버린다. 따라서 우주 망원경의 움직임에 맞춰 '파인 스티어링 미러(Fine Steering Mirror, FSM)'의 각도를 미조정해 센서 위에 천체의 상이 멈추도록 한다.
3-1. ISIM에 탑재된 4종의 관측 장치
'제임스 웹 우주 망원경'에서는 관측 목적에 맞춘 4종의 관측 장치가 탑재되었다. 4종 모두 관측을 하는 파장의 적외선을 복사하지 않은 온도까지 냉각된다. 가장 냉각이 필요한 장치에서의 목표는 6K이다. '차양(Sun Shield)'으로 그늘을 만드는 정도로는 도달할 수 없는 온도이므로, 헬륨을 사용한 기계식 냉각기가 갖추어져 있다.
'제임스 웹 우주 망원경'에 탑재된 4종의 관측 장치는 '통합 과학 기기 모듈(ISIM: Integrated Science Instrument Module)'에 집약되어 있다. 아래의 사진은 '통합 과학 기기 모듈(ISIM: Intergrated Science Instrument Module)'을 '주경(Primary Mirror)' 뒷면에 설치하는 모습이다. 여기서는 각각의 관측 장치를 간단히 소개한다.
- 근적외선 카메라(NIRCam): '근적외선 카메라(NIRCam)'는 1600만 화소의 모자이크형 근적외선판 '디지털 카메라(Digital Camera)'라고 할 수 있다.
- 근적외선 분광기(NIRSpec): '근적외선 분광기(NIRSpec)'는 0.6~5μm 적외선에서 분광 관측 장치이다.
- 중적외선 관측 장치(MIRI): '중적외선 관측 장치(MIRI)'는 먼 곳의 은하와 갓 태어난 항성계를 관측하기 위해 5~28.5μm라는 넓은 파장 범위를 커버하는 카메라와 분광기를 갖췄다.
- 미세 유도 센서/근적외선 이미지 및 슬릿리스 분광기(FGS/NIRISS): 마지막으로는 정확도 높은 '미세 유도 센서/근적외선 이미지 및 슬릿리스 분광기(FGS/NIRISS)'인데, 이 기기는 3가지 기능을 하나의 장치로 실현했다. FGS는 망원경을 정확하게 천체로 계속 향하기 위한 위치 설정 장치이다. NIRISS는 분광기 관측 장치인데, NIRSpec과는 달리 슬릿을 갖지 않으므로, 센서 위 모든 천체의 스펙트럼을 구분하지 않고 얻을 수 있다.
4. 태양의 열로부터 망원경을 지키는 '차양'
적외선으로 관측하는 '제임스 웹 우주 망원경'의 최대 적은 '열(Heat)'이다. 그래서 '제임스 웹 우주 망원경'에서는 태양이나 지구의 열을 가리는 '차양(Sunblind)'이 설치되어 있다. 태양 쪽은 고온이 되지만, '차양'으로 빛을 가린 망원경 쪽은 관측 기기 운용에 필요한 온도인 -223℃ 이하로 항상 유지된다. 라그랑주점 L2에 위치하는 '제임스 웹 우주 망원경'에서는 태양과 지구가 항상 같은 방향에 보인다. 따라서 태양 방향으로 차양을 펼치면, 지구와 달을 포함한 열원의 그늘에서 망원경을 운용할 수 있다. '차양'의 최대 길이는 21m, 최대 폭은 14m이며, 5층의 필름으로 되어 있다. 필름은 고분자 소재인 '폴리이미드(Polyimide)'에 다양한 가공을 가한 것이다.
반드시 태양 쪽으로 차양을 향하고 관측히야 하므로 '제임스 웹 우주 망원경'이 관측할 수 있는 범위는 태양의 방향으로부터 85~135°인 범위에 국한된다. 단 라그랑주점 L2는 지구와 함께 태양을 공전하므로, 반년 후에는 임의의 방향을 관측할 수 있다.
5. 발사와 관측 준비
5-1. 작게 접는 방식의 우주 망원경
'제임스 웹 우주 망원경'은 '노스롭 그루먼(Northrop Grumman Corporation)'을 중심으로 한 우주 개발 관련 기업이 미국 국내에서 조립했다. '노스럽 그루먼'은 미국의 대표적인 다국적 항공우주산업 제조회사이자 2021년 기준 세계 1위의 방위산업체다. 전투기, 폭격기 등 항공기를 생산하며, 미국 최대의 군함 제작사이기도 하다.
'제임스 웹 우주 망원경'은 발사에 사용될 '아리안 5형 로켓(Ariane 5 Rocket)' 맨 앞의 보호용 페어링에 들어가도록 길이 약 10.5m, 폭 약 4.5m의 크기까지 각 부분을 작게 접을 수 있도록 되어 있다. '차양'은 가늘게 길게 둘로 접힌다. '부경'의 3개 기둥은 묶이고, '주경'은 절을 하는 것처럼 차양 쪽으로 꺾인다. 나아가 주경을 구성하는 18장의 육각형 거울 가운데 바깥쪽으로 붙거진 6장은 3장씩 짝을 지어 90°로 접혔다. 이렇게 작게 접혔기 때문에 우주에서 펼치는 작업이 필요하다. 또 '제임스 웹 우주 망원경'에는 움직이지 않으면 망원경으로 제대로 작동하지 못하는 '단일 장애점(SPOF: Single Point of Failure)'이 놀랍게도 334개소나 있다고 한다.
아래의 사진은 '아리안 5형 로켓(Ariane 5 Rocket)'에 실리기 직전, 남아메리카 북부의 프랑스령 '기아나(Guiana)'에 있는 '기아나 우주센터(Guiana Space Center)'의 '클린룸(Clean Room)'에 일시 보관된 '제임스 웹 우주 망원경'의 작게 접혀있는 모습이다. 이 형태 그대로 2021년 9월 25일 미국 캘리포니아주를 출발해 화물선으로 16일 걸려 로켓 발사장인 '기아나 우주센터'까지 운반되었다.
5-2. 페어링 격납
2021년 12월 11일, '제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)'은 '아리안 5형 로켓(Ariane 5 Rocket)'의 최종 조립동에서 약 40m 높이까지 천천히 매달아 올린 뒤 로켓 위에 고정되었다. 이어 12월 17일에는 '아리안 5형 로켓'의 '페어링(Fairing)'에 덮여 발사 준비가 마무리되었다.
5-3. '아리안 5형 로켓'으로 발사되었다.
현지시간 2021년 12월 25일 9시 20분, '제입스 웹 우주 망원경'은 프랑스령 '기아나(Guiana)'의 '기아나 우주센터(Guiana Space Center)'에서 '아리안 5형 로켓(Ariane 5 Rocket)'으로 발사되었다. 현지에서는 흐린 하늘에 구름 속으로 사라지는 로켓을 배웅했다. 발사 때는 아무 문제도 없었으며, 약 4분 뒤에는 고도 150km 정도에서 '페어링(Fairing)'이 벗겨졌다. 이어 27분 뒤에는 로켓에서 분리되었고, 지구에서 약 150km 저편에 있는 '라그랑주점 L2(Lagrangian Point L2)'를 향한 1개월가량의 여행을 시작했다. 우주 개발 사상 유례가 없을 정도로 복잡하다고 이야기되던 '펼치는 작업'도 순조롭게 진행되었다. 12일째에는 5장의 차양을 완벽하게 펼쳤고, 이어서 부경의 기둥 고정과, '주경'도 2022년 1월 9일까지 모두 펼쳤다.
5-4. 라그랑주점 L2
'태양과 지구', '지구와 달'처럼 어느 천체의 주위를 또 하나의 천체가 공전할 때, 그들 천체와 비교해 질량이 매우 작은 물체가 공전하는 물체에 대해 중력적으로 안정되어 정지한 채 있을 수 있는 곳이 5군데 있음이 알려져 있다. 이들을 '라그랑주점(Lagrangian Point)'이라고 하며, L1~L5로 나타낸다. '제임스 웹 우주 망원경'은 태양과 지구계의 라그랑주점 가운데 하나인, 지구 바깥쪽으로 150만 km 떨어진 L2로 보내졌다. L2에서는 지금도 '허셜 우주 망원경(Herschel Space Observatory)'과 '가이아 위성(Gaia satellite)' 등이 관측하고 있다. 이곳에서는 열원이 되는 태양, 지구, 달이 항상 거의 동일한 방향에 위치하기 때문에, 이들 천체로부터 열의 영향을 모두 피할 수 있다는 장점이 있다.
단 L1, L2, L3는 중력적으로 약간 불안정하기 때문에 '제임스 웹 우주 망원경'은 L2를 선회하는 듯한 '헤일로 궤도(Halo Orbit)'을 목표로 한다. 또 안정적으로 '헤일로 궤도(Halo Orbit)'에 머물려면 궤도 수정이 필요하다고 한다. 그래서 궤도 수정용으로 '스러스터(Thruster)'를 탑재했으며, 이 스러스터 연료의 고갈이 '제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)'의 실질적인 운용 수명이 된다. '제임스 웹 우주 망원경'의 운용 수명은 10년으로 생각되었는데, '아리안 5형 로켓'으로 발사가 정확하게 이루어졌기 때문에 스러스터 연료의 사용을 최소한으로 억제해 L2에 도달할 수 있었다. 이에 따라 10년으로 예상되었던 운용 수명은 애초의 기대 수명보다 더 늘어날 것으로 생각된다.
5-5. 관측 준비
이어서 망원경 관측 장치도 큰 문제 없이 조정되었다. 아래의 사진은 NIRCam이 촬영한 항성의 모습으로, 2022년 3월 '미세 위상 조정(Fine Phasing)'이라는 과학계 조정 단계를 끝낸 직후에 촬영되었다. 중앙에 있는 항성에서 8방향으로 뻗는 '광망(빛살)'은 주경을 구성하는 18장의 육각형 거울의 테두리와 부경을 지탱하는 비스듬한 기둥의 회절 현상으로 인해 발생하는 빛(회절광)'이다. 항성 주위로는 이미 먼 곳에 있는 은하라고 생각되는 타원형 천체가 수없이 많이 찍혀 있어, 벌써부터 '제입스 웹 우주 망원경'이 지닌 높은 관측 능력의 일부분을 엿볼 수 있었다. 망원경을 완전히 조정해 항성에 초점을 맞추었을 때, 망원경은 상정했던 사양보다 훨씬 높은 성능을 가지고 있다는 사실도 알게 되었다. 이어 2022년 4월 말에는 광학계의 조정이 완료되었다. 이것으로 모든 관측 기기로 화상을 얻을 수 있게 되었으며, 최종적인 조정 단계로 나아간다는 발표가 있었다.
그리고 지난 7월 11일에 NASA는 '제임스 웹 우주 망원경'이 정식 촬영한 첫 결과물인 'SMACS0723'은하단의 모습을 최초로 공개했다. 본격적인 관측이 시작되었음을 알리는 신호탄이라고 할 수 있다. 드디어 시작될 본격적인 관측으로 '제임스 웹 우주 망원경'은 어떤 새로운 지식을 가져다줄지 매우 기대가 크다.
6. 갤러리
6-1. 경량화를 위해 얇게 만든 주경
아래의 사진은 엔지니어가 정확도와 강도 확인을 위해 시험적으로 제작된 '제임스 웹 우주 망원경'의 '주경'을 살피고 있는 모습이다. 18개로 분할된 주경은 경량화를 위해 아주 얇게 만들었다. 그래서 비뚤어지지 않도록 척추뼈 같은 역할을 하는 검은색 테 위에 설치되었다. 2014년 9월 미국 메릴랜드주에 있는 'NASA 고더드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center, GSFC)'의 거대한 '클린 룸(Clean Room)'에서 촬영한 사진이다.
6-2. '근적외선 카메라(NIRCam)'의 심장부 역할을 하는 센서
1600만 화소의 모자이크형 근적외선 센서는 '제임스 웹 망원경'의 관측 장치 가운데 하나인 '근적외선 카메라(NIRCam, Near Infrared Camera)'의 심장부이다. 근적외선판 '디지털 카메라(DIgital Camera)'라고도 할 수 있는 기기로, 4개의 칩을 서로 연결한 센서의 틈새를 블랙 마스크로 덮었다. 관측 파장은 0.6~5μm이며, 갓 태어난 항성과 외계행성, 형성 도중의 은하, 근방 은하 속의 '성단(Star Cluster)', 우리 은하 안의 젊은 별, '카이퍼 벨트(Kuiper Belt)' 천체 등의 관측에 사용된다.
6-3. NIRCam으로 주경을 자체 촬영
NIRCam은 가시광선 파장역에도 감도가 있으며, 비교적 높은 온도에서도 작동한다. 이런 설계 때문에 주경 조정용으로도 사용된다. 그래서 옵션 광학계로서 주경을 촬영하기 위한 카메라 렌즈를 탈착하는 기능도 가지고 있다. '제임스 웹 우주 망원경'의 주경 자체 촬영 사진은 NIRCam과 카메라 렌즈를 조합해 촬영한 것이다. 이 화상은 모든 조정이 거의 완료된 상태에서 촬영한 것으로, 망원경을 향한 항성의 빛으로 주경 전체 면이 빛나는 모습을 포착했다.
