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제임스 웹 우주망원경, 우주의 탄생을 보러 간다

제임스 웹 우주망원경이란?

2021년 크리스마스, 제임스 웹 우주망원경이 25년 만에 드디어 발사되었다. 발사되기 전 프로젝트 취소 제안과 청문회 등 많은 우여곡절이 많았지만, 현재 렌즈 초점을 잡고 제대로 작동하고 있다는 소식이 들려온다. 제임스 웹 우주망원경은 허블 우주 망원경의 뒤를 잇는 우주망원경이다. 총 연구 비용 및 제작 비용은 100억 달러 정도가 들었으며, 집광 면적이 허블망원경의 7배 정도로 매우 넓지만, 무게는 60% 정도밖에 되지 않는다. 앞으로의 관측으로 어떤 업적을 이뤄낼지 주목받는 제임스 웹 우주망원경이 얼마나 대단한지 알아보자.

제임스 웹 망원경의 사진
제임스 웹 우주망원경의 구조

현존하는 최고의 우주망원경인 제임스 웹, 과연 어떤 구조로 이루어져 있을까? 외관으로 보이는 가장 큰 특징은 금빛 반사 거울 18개로 이루어져 있다는 것이다. 주경의 주요 재질은 베릴륨이고, 적외선 반사율을 높이기 위해 금을 코팅하여 주경이 노란빛을 띤다. 또한, 넓은 면적의 거울을 만들면서도 발사 부피를 줄이며, 우주에 발사된 후 거울이 빈틈없이 펴지도록 육각 거울로 이루어져 있다. 거울이 펴진 후에는 미세하게 각도를 조정하여 초점에 빛이 잘 모일 수 있도록 설계되었다.


제임스 웹 망원경이 찍은 사진-육각별과 2개의 작은 잔상

제임스 웹 우주망원경이 찍은 사진을 보면 60도 간격으로 뻗어나가는 빛 6개, 작게 양옆으로 뻗어있는 잔상 2개가 보인다. 이것은 제임스 웹의 광학 장비에서 생긴 잔상이다. 60도 간격의 빛은 거울의 육각형 구조에 의해 생긴 것이다. 빛은 입자성뿐만 아니라 파동성을 가지고 있기 때문에 회절하며 잔상을 만든다. 또한, 망원경의 앞에 붙은 부경, 이를 지지하는 지지대 때문에 양옆으로 작게 뻗은 잔상이 생긴다. 위의 사진은 35분 정도만 빛을 모았는데 찍힌 은하의 모습으로, 허블이 딥 필드를 촬영하기 위해 수개월을 기다린 것을 감안하면 제임스 웹의 엄청난 성능을 체감할 수 있다.

제임스 웹 우주망원경의 위치-라그랑주 점

우주망원경은 우주로 발사된 후 사용되는 망원경이다. 여기서 의문점이 생긴다. 제임스 웹 우주망원경은 발사하는 데 25년이나 걸렸는데, 이는 우주에서는 수리가 쉽지 않아 완벽하게 만들어야 한다는 특성 때문이었다. 그렇다면 굳이 우주로 관측 장비를 발사해야 할 이유가 있을까? 과학자가 하는 활동 중 이유가 없는 것은 없다. 우주망원경의 중요한 장점 중 하나는 기후에 의한 관측 제한을 전혀 받지 않는다는 것이다. 그리고 우주로 망원경을 발사하면 대기가 흡수하는 빛을 관측할 수 있다. 제임스 웹 우주망원경이 관측하는 적외선 또한 대기 중의 기체들이 흡수해 우주에서만 관측할 수 있는 빛 중 한 종류이고, 적외선을 관측하기 위해서는 제임스 웹 망원경을 우주로 쏘아올릴 수밖에 없었다.


지구에서 관측되는 빛의 파장별 분류

제임스 웹 우주망원경의 위치는 어디일까? 과학자들은 라그랑주 점 중 하나인 L2를 제임스 웹의 위치로 결정했다. 라그랑주 점들은 두 큰 천체(태양, 지구)와 작은 천체(제임스 웹 우주망원경)의 있을 때, 작은 천체가 두 개의 큰 천체들의 중력으로 인해 안정하게 있을 수 있는 점들이다. 태양과 지구가 형성하는 라그랑주 점은 5개가 있고, 제임스 웹 우주망원경은 위치를 유지하며 우주를 관측하기에 가장 용이한 L2에 있다. 이는 현재까지 허셜 우주 망원경과 월킨슨 극초단파 비등방탐색선이 있던 위치이다. 또한, 실제로는 태양풍의 영향으로 조금씩 L2에서 밀려나기 때문에 우주망원경은 별도의 추진 장치를 이용해 L2에 계속 있을 수 있도록 조정할 수 있게 설계되었다.


라그랑주 점 5개. 제임스 웹 우주망원경은 L2에 위치한다.

중력만을 고려한 상황에서 라그랑주 점이 왜 안정하게 있을 수 있는 위치인지 알아보자. 먼저, 안정한 위치의 의미에 대해 생각할 필요가 있다. 태양을 공전의 중심으로 잡고, 지구와 우주망원경의 공전 주기가 같으면 그들은 실제로는 회전하지만, 우주에서 보았을 때는 정지해 있는 것처럼 보일 것이다. 이제 L2 점의 상황을 생각해보자. 질량이 압도적으로 큰 천체(태양) 주위를 질량이 비교적 작은 천체(지구)가 공전할 때, 케플러 법칙에 의해 공전 주기의 제곱은 지구 궤도의 장 반경의 세제곱에 비례한다. 장반경만 고려해보면 태양에서 지구보다 더 멀리 떨어진 우주망원경의 주기가 더 길어질 것 같지만, 지구의 중력도 존재하므로 우주망원경을 태양 방향으로 당기는 중력의 크기가 더 세진다. 중력의 크기가 커지면 공전하는 선속도가 빨라져 그 주기가 중력이 작을 때보다 줄어든다. 공전 반경의 증가와 중력 세기의 증가가 균형이 맞는 위치인 L2에서는 지구와 우주망원경이 같은 주기를 가지게 되고, 세 천체가 일정한 위치를 유지할 수 있다.


적외선을 관측하는 제임스 웹 우주망원경

우리는 우리가 인식할 수 있는 빛인 가시광선으로 주위의 모습을 보지만, 제임스 웹 우주망원경은 적외선으로 주위의 모습을 본다. 왜 제임스 웹 우주망원경은 적외선 영역을 관측할까? 적외선 가시광선보다 상대적으로 파장이 긴 빛이다. 파장이 길수록 먼지구름 같은 우주의 물질들을 잘 통과하는 성질이 있어 먼 우주를 관측하기에 용이하다. 또한, 파장은 에너지에 반비례하기 때문에 적외선은 에너지가 낮고, 따라서 온도가 낮은 저온 천체에서는 적외선을 주로 방출한다. 이런 천체들을 관측하기에는 적외선 영역을 사용하는 제임스 웹 우주망원경이 적절한 것이다. 그리고 우주는 팽창하기 때문에 두 천체 간의 거리가 멀어지고, 빛의 파동성에서 생기는 도플러효과에 의해 가시광선의 파장을 가진 빛은 지구의 입장(우주망원경의 관측 모습)에서 파장이 길어져 적외선처럼 보인다. 따라서 지구로부터 멀리 떨어진 천체의 가시광선은 망원경의 적외선 감지로 관측할 수 있는 것이다. 아래의 사진과 같이 도플러 효과는 두 천체의 거리가 멀어질 때 파장이 길어져 보이고, 가까워질 때 파장이 짧아져 보이는 현상이다.


도플러 효과-별이 이동할 때 가까워지는 사람과 멀어지는 사람에게 보이는 빛의 파장이 다르다.
허블 우주 망원경의 성과 및 기대되는 제임스 웹 우주망원경의 성과

제임스 웹 우주망원경의 선배인 허블 우주망원경도 발사 전에 이를 회의적으로 바라보는 사람들도 많았고, 발사 후 초점이 맞지 않아 수리를 거치기까지 했다. 하지만 연료의 보충과 수리로 수명을 늘리며 많은 성과를 만들어낼 수 있었다. 허블 우주 망원경은 우주가 가속 팽창하고 있음을 밝혀내었다. 또한, 우주의 검은 배경을 수개월 동안 찍어 빛을 모았고, 검은 공간에도 수많은 은하가 존재하며, 우주의 은하가 수천억 개 이상 존재하는 것을 밝혀내었다. 도플러효과를 통해 우주가 가속 팽창한다는 것을 밝혀내기도 했다.

앞에서 언급했듯이, 제임스 웹 우주망원경은 허블보다 더 큰 직경으로 더 많은 빛을 모을 수 있으며, 적외선으로 더 멀리서부터 관측되는 빛 또한 찾을 수 있다. 따라서 더 오래된 과거의 빛을 관측하며, 우주의 기원에 대해서 자세하게 밝힐 수 있을 것으로 기대가 된다. 제임스 웹 우주망원경은 사용한 지 아직 1년도 지나지 않았지만 많은 성운과 은하를 높은 퀄리티로 촬영에 성공했다. 앞으로 풀리지 않았던 많은 의문점을 해결해주고, 새로운 소식을 전달해줄 제임스 웹 우주망원경, 우주의 어떤 모습이 기대되는가?


 

김현욱 학생기자 | Physics & Earth Science | 지식더하기


참고자료

[1] https://www.youtube.com/watch?v=Rr2rkYy-sBs

[2] https://surpriser.tistory.com/688

[3] https://baseballtoyou.tistory.com/29

[4] https://www.youtube.com/watch?v=r5xSmkxXR6Y


첨부한 이미지 출처

[1] https://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20170208601012&wlog_sub=nvt_ix_027

[2] https://www.youtube.com/watch?v=Rr2rkYy-sBs

[3] https://nate9389.tistory.com/1636?category=1042173

[4] http://astrobusan.kr/xe/board/175419

[5] https://seidemaninchearingandsound.weebly.com/doppler-effect.html




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