제임스 웹은 왜 적외선으로 우주를 보나

제임스 웹 우주 망원경이 적외선을 보는 가장 큰 이유는 우주 초기의 빛이 우주 팽창 때문에 적외선으로 늘어나 도착하기 때문이다. 수십억 년 전 은하들이 내보낸 가시광선과 자외선은 오는 동안 파장이 길어져, 지금 우리에게는 적외선으로 들어온다. 적외선은 별이 태어나는 짙은 먼지 구름을 꿰뚫어 보는 데도 유리하다. 대신 적외선을 보려면 망원경 자체를 매우 차갑게 유지해야 해서, 거대한 햇빛 가리개와 먼 궤도가 필요하다.

먼 은하의 빛은 왜 적외선이 되나

우주는 팽창하고 있다. 멀리 있는 은하에서 출발한 빛은 우리에게 오는 동안 공간이 늘어나면서 함께 늘어난다. 빛의 파장이 길어지면 색이 붉은 쪽으로 옮겨 간다. 이를 우주론적 적색 이동이라 부른다.

멀리 있는 은하일수록 빛이 더 오래 여행했으니 더 많이 늘어난다. 우주가 생긴 지 얼마 되지 않았을 때 태어난 은하들의 빛은 너무 많이 늘어나서, 눈에 보이는 영역을 넘어 적외선이 되어 버렸다. 가시광선을 주로 보던 허블 우주 망원경으로는 이 빛을 잘 잡을 수 없었다. 가장 먼 과거를 보려면 적외선 망원경이 필요했다.

적외선은 먼지를 어떻게 꿰뚫나

별과 행성은 가스와 먼지가 뭉친 구름 속에서 태어난다. 이 먼지는 가시광선을 가로막아, 별이 태어나는 현장을 가시광선으로 보면 검은 구름만 보인다. 파장이 긴 적외선은 먼지 알갱이에 덜 막혀 구름 속을 꿰뚫고 나온다. 그래서 적외선으로 보면 구름 속에 숨어 있던 갓 태어난 별들과 그 주변의 원반이 드러난다.

적외선은 또한 차가운 물체가 내는 빛이다. 별처럼 뜨겁게 빛나지 않는 행성, 갈색 왜성, 먼지 원반 같은 차가운 천체는 대부분 적외선으로 빛난다. 외계 행성의 대기를 지나온 빛을 분석해 그 성분을 알아내는 데도 적외선이 중요하게 쓰인다.

이유	적외선이 필요한 까닭
우주 초기 은하	빛이 늘어나 적외선으로 도착
별 탄생 구름	적외선이 먼지를 꿰뚫음
차가운 천체	행성과 먼지는 주로 적외선으로 빛남
외계 행성 대기	분자의 흔적이 적외선에 많이 나타남

왜 망원경을 그렇게 차갑게 해야 하나

적외선 관측에는 까다로운 문제가 있다. 따뜻한 물체는 모두 적외선을 낸다. 망원경 자체가 따뜻하면 스스로 적외선으로 빛나, 멀리서 온 희미한 신호를 가려 버린다. 마치 손전등을 켠 채로 희미한 별을 보려는 것과 같다.

그래서 제임스 웹은 테니스장만 한 크기의 다섯 겹짜리 햇빛 가리개를 펼쳐, 태양과 지구에서 오는 열을 막는다. 가리개의 햇빛 쪽은 뜨겁지만, 그늘진 쪽의 거울과 장비는 영하 200도 아래로 식는다. 일부 장비는 따로 냉각기를 달아 더 차갑게 유지한다. 망원경은 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진, 태양과 지구의 중력이 균형을 이루는 지점 근처를 돈다. 이곳에서는 태양과 지구가 늘 같은 방향에 있어 한쪽 면으로만 열을 막으면 된다.

제임스 웹의 주거울은 지름이 6.5미터에 이르러 로켓에 그대로 실을 수 없었다. 그래서 18개의 육각형 조각으로 나눠 접어서 발사한 뒤, 우주에서 펼치고 각 조각의 위치를 머리카락보다 훨씬 작은 정밀도로 맞췄다. 거울 표면에는 적외선을 잘 반사하는 얇은 금 막을 입혔다.

무엇을 새로 보여 주었나

2021년 12월 발사된 제임스 웹은 예상보다 이른 시기에 이미 밝고 성숙한 은하들이 있었음을 보여 주었다. 일부 은하는 기존 이론이 예상한 것보다 빨리 자란 것처럼 보여 연구자들을 놀라게 했다. 외계 행성의 대기에서 이산화탄소 같은 분자의 흔적을 선명하게 잡아내기도 했다.

아직 밝혀지지 않은 것

초기 우주에 왜 그렇게 밝은 은하들이 일찍 나타났는지는 아직 결론이 나지 않았다. 은하가 생각보다 빨리 별을 만들었는지, 측정한 거리나 밝기 추정에 아직 모르는 오차가 있는지를 두고 연구가 이어진다. 제임스 웹이 던진 질문들은 우주 초기 은하의 형성 이론을 다시 점검하게 만들고 있다.