노후화된 허블 망원경을 능가하는 우주 망원경 제임스웹이 이번 성탄절(미국 현지시간)에 발사되었다. 2007년이 발사 목표였다. 15년간의 수차례 연기 끝에 드디어 우주로 쏘아 올렸다. 2022년 6월 제임스웹은 예정대로 첫 사진을 전송해 왔고 임무를 잘 수행하고 있다.
1. 우주 망원경의 의무
제임스 웹 발사
성탄절인 25일 미국 항공우주국(나사)은 제임스웹 우주망원경을 아리안5호 로켓에 싣고 유럽우주센터에서 발사했다. 프랑스령 기아나에 유럽우주센터가 있다.
이 로겟은 망원경을 덮고 있던 베어링(발사체 내 탑재물 보호덮개)을 성공적으로 분리하며 발사 27분 후에 로켓 동체에서 망원경을 완전히 분리했다. 참여과학자들이 환성을 질렀다. 완전 장관이었다.
우주망원경의 장점
우주망원경은 대기의 교란이 없어서 시야가 넓어 산정된 시간에 넓은 영역을 관측할 수 있다. 대기의 수증기 등의 흡수로 초대형 지상망원경이 할수 없는 적외선 영역을 우주망원경이 관측한다.
상온 수준의 물체도 적외선을 뿜는 경우가 많다. 그러므로 망원경의 온도를 절대온도 40K(섭씨 -233도)로 크게 낮춰야 한다.
이를 위해 망원경의 아래에 5겹의 차양을 설치해 태양 빛과 지구에서 오는 복사열을 차단한다. 관측시에는 차양쪽을 태양과 지구를 향하게 한다. 발열을 막기 위해 11밀리 와트급 초저전력 컴퓨터를 사용한다.
허블 망원경보다 정밀한 관측이 가능하리라 기대된다. 허블 우주 망원경이 그간 우주의 면면을 담아왔다. 역전 노장이 노후화 되었다. 2021년은 민간 우주여행이 시작되었다. 이 우주여행이 가능하게 된 중요한 배경 중 하나가 우주 망원경이 관측해서 보내주는 우주 정보이다. 지금까지 이 역할을 허블 우주망원경이 해왔다.
허블망원경의 수명과 업적
설계 당시 예상 수명이 15년이었다. 1990년에 발사돼 1993년부터 임무에 들어갔다. 예상수명의 두 배를 넘는 31년간 활동하며 허블이 거둔 천문학적 발견과 발전은 놀랍다. 덕분에 우주 나이가 138억년임이 밝혀졌다.
해상도는 사람 눈보다 1000배 뛰어나다. 지구 상공 560km 궤도를 돌고 있다. 과학자들은 허블이 보낸 별의 자료를 토대로 우주 나이가 138억 년이라는 것을 밝혀냈다. 허블의 남은 수명은 2025년까지이다.
허블망원경의 이름은 미국 천문학자 에드윈 허블에서 따왔다. 허블박사는 우주가 팽창한다는 사실을 처음 발견했고 192년 세페이드 변광성으로 우주의 크기를 예측했다. 이런 그의 업적을 기념해서 이름을 따왔다.
110억 달러(=12조원) 이상이 드는 돈먹는 하마 제임스엡 우주망원경이 지체되는 사이에 과학자들이 후원을 받아 모은 푼돈(7억원!)으로 페르미 감마선 우주 망원경을 2008년 쏘아 올렸다. 가동되자마자 성과가 엄청났다.
2013년 연말에 가이아 우주 망원경이 발사되어 페르미와 비슷한 궤도에서 천체지도 작성 임무를 성공적으로 수행하고 있다.
두 우주 망원경은 규모가 작으면서도 성능이 뛰어나다. 국제 공조로 이루어진 제임스웹 망원경이 성능면에서 훨씬 큰 면면이 있으니 세 망원경 간의 협력이 기대된다.
알게 모르게 세 망원경과 서로 다른 국적의 과학자들의 국제 협력으로 아이디어와 기술을 공유하면서 우주천체 지도가 완성될 것이 기대된다.
제임스웹 우주 망원경의 의무
이름의 유래
제임스 웹은 나사의 두번째 국장으로 아폴론 프로젴트에 매진한 공로를 인정받아 이 우주 망원경에 그의 이름이 붙여졌다.
위치
이 망원경은 지구에서 150만 km 떨어진 ‘라그랑주 점(L2)’ 에 자리를 잡는다. 이유는 이곳이 태양의 인력과 지구의 원심력이 평행해 지구와 태양이 지속적으로 일직선상에 놓이는 곳이어서다.
적외선 영역을 관측하는 망원경은 열에 취약해서 이 궤도에 놓여야 하나의 차광면으로도 태양과 지구에서 오는 빛을 차단하고 반대편에 위치한 광학장치를 차폐해서 노즐없이 먼 곳의 빛을 모을 수 있다.
* 차폐 electromagnetic shielding: 전자기 차폐. 가려 막고 덮는다는 뜻(= 가림). 물리학에서는 전기·자기· 방사선 등을 차단하여 외부에 영향을 주지 않게 하는 일.
* 노즐: nozzle. 기체나 액체 등의 유체의 흐름 방향을 결정하고 속도를 증가시키기 위해 사용되는 파이프 모양의 기계 부품이다. 디퓨저는 그 반대 기능을 한다.
의무
이곳에서 태양을 중심으로 지구와 나란히 공전하며 우주의 기원과 외계 생명체의 흔적을 찾는 임무를 수행한다.
* 라그랑주 점: Lagrangian Point, 칭동점(秤動點). 서로 중력으로 묶여 움직이는 천체들의 간의 중력이 균형을 이루어 중력이 0이 되는 지점이다. 우주 공간에서 작은 천체가 두개의 큰 천체의 중력에 의해 그 위치를 지킬 수 있는 5개의 위치들을 말한다.
예를 들어 인공위성이 지구와 달에 대해 정지해 있을 수 있는 점들이다. 천문학자이자 수학자인 조제프 라그랑즈가 발견하여 그의 이름을 땄다. 라그랑주 점에 우주를 표류하는 많은 우주쓰레기들이 모여있다.
제임스 웹 우주망원경의 4대 핵심 목표
최초의 별, 최초의 은하 관측, 은하의 형성과 진화 연구, 별과 행성계의 형성 연구, 그리고 행성계와 생명의 기원 연구이다.
2. 제임스웹 우주 망원경
허블 우주 망원경과 차이( 반사경 지름과 개수, 공전 궤도, 관측영역 )
발사 지체 이유
1989년 이 우주 망원경의 처음 개념이 제시된 뒤 망원경 제작은 1996년에 시작됐다. 2007년이 발사 목표였으나 예산과 기술 개발 등의 문제로 계속해서 미뤄졌다. 이미 110억달러(13조원)이 투입되었다.
제임스 웹의 성능
제임스웹은 적외선 관측에서 성능이 뛰어나다. 적외선을 통해 우주를 관찰하면 불투명한 우주 먼지 뒤편의 별 등을 관측하는 데 용이해서 우주에 관한 새로운 정보를 인류에게 전달할 수 있다. 기대되는 대목이다.
* 적외선: 태양광을 프리즘으로 분산시켰을 때 적색선의 끝보다 더 바깥쪽에 있는 전자기파
이 망원경에는 6.5m의 거대 거울이 장착되어 있는데 6각형의 작은 거울 18개로 되어 있다. 각각의 거울은 금으로 코팅된 베릴륨으로 되어 있다.
이 거울을 통해 빛을 모아 섬세한 관측을 수행한다. 허블 망원경의 단일 반사경보다 7.3배 크다. 허블은 직경 2.4m의 단일 거울(반사경)을 사용한다.
금도금은 비싸지 않다. 금이 적외선을 잘 반사하기 때문에 금도금을 두께 0.0001mm 미만으로 한다. 반사경 하나당 3g이다.
* 베릴륨: 알카리 토금속에 속하는 화학원소로 기호는 Be이고 원자번호는 4이다.
제임스 웹의 수명
대략 5 ~ 10년이며 천체 사진을 보내오는 첫 임무는 다음해인 2022년 6월 이후이다. 허블의 수명인 31년에 비하면 수명이 짧지만 더 작동할 수도 있으니 지켜봐야 한다.
고장나면 문제
허블 망원경은 고장시에 우주왕복선을 보내 수리가 가능했으나 이와 달리 제임스웹은 지구와 거리가 매우 멀어 고장이 나면 고치러 갈 우주인의 파견이 어려운 점도 지연의 큰 이유였다.
조립식 반사경18개를 우주로 보낸 방법
우주망원경에는 반사경(거울)이 필수적이다. 이렇게 거대한 반사경이 장작된 우주 망원경을 통짜로 우주로 보내는 기술이 아직 없다.
그래서 18개의 1.3m 작은 정육각형 반사경으로 나눠 제작했다. 그리고 로켓에 잘 접어넣고 발사하면 로켓 분리시에 펼쳐지며 큰 반사경으로 조립이 된다.
반사경의 재질
유리가 아니다. 가볍고 강하고 열변형이 적으면서 적외선 반사능력이 뛰어난 베릴륨 재질에 금을 코팅했다. 이러한 이유로 반사경이 훨씬 커지고 망원경 무게는 6.5톤으로 허블의 절반이다.
관측영역
허블의 주된 관측영역은 가시광선과 근적외선이었다. 그래서 허블보다 더 말고 희미한 천체를 관측하려면 반사경이 더 커야 하는 결론이다.
가시광선 관측 영역은 이미 적응광학기술 등으로 개선된 지상의 초대형 지상망원경이 더 잘 한다. 제임스웹의 관측영역은 가사광선보다는 적외선 영역을 관측한다.
허블은 지구와 달의 그림자에 가려져서 관측할 수 없는 시간대가 있었는데 제임스웹은 허블 고도보다 2680배 높은 라그랑주점에 위치해서 상시 관측이 가능하다.
제임스웹 우주망원경의 주요구조
주요구조
18개의 벌집 모양 노란색 거울로 이루어져 있다. 각 거울은 육각형으로 틈을 최소화하고 금으로 코팅하여 반사율을 98%까지 높여 개별 광자를 모두 잡을 수 있다.
반사경 주위에는 트러스truss 3개가 지지고 있고 가운데가 부경이다. 금으로 도금한 주경에서 반사된 빛이 부경으로 가고 다시 이 부경에서 촛점을 모아 주경의 가운데 장비로 들어가도록 설계되었다.
그 속에 카메라와 다른 장비 4기가 들어있다. 특히 분광기가 설치되어 있어 빛의 온도와 화학분자까지 표시할 수 있다.
* 트러스: 여러 개의 직선 부재들을 한 개 또는 그 이상의 삼각형 형태로 배열하여 각 부재를 절점에서 연결해 구성한 뼈대 구조가 트러스이다. 에펠탑을 건축한 건축가 구스타브 에펠이 처음 고안했다.
* 부재: 벽 칸막이벽, 바닥, 지붕, 보, 기둥 등 건축물의 구성재를 말한다.
* 절점: 구조물에서 부재와 부재의 접합점
통합과학 모듈 ISIM(Integrated Science Instrument Moudule)
ISIM은 제임스웹 우주망원경의 뼈대이다. 이 뼈대가 중요장비 4기에 전력과 컴퓨팅 리소스, 냉각 및 구조적 안정성을 제공한다. 소재는 그래파이트-에폭시이다.
* 그래파이트 에폭시: graphite epoxy 흑연 에폭시. 에폭시(에폭시 수지)는 열경화성 플라스틱의 하나로 물과 날씨 변화에 잘 견디고 빨리 굳으며 접착력이 강하다. 비스페놀A와 에피크로로히드린을 중합하여 제조한다.
* 레진(resin 수지)는 나무의 수액이(송진)나 그것이 굳은 것이다. 현대에는 합성수지 즉 고무나 플라스틱을 총칭해서 일컫는다.
주요장비 5가지
● 근적외선 카메라 NIRCam(Near InfraRed Camera): 근적외선 파장을 탐지한다.
● 근적외선 분광기: 근적외선을 분석하는 기기이다.
● 중적외선 관측장비: 중적외선을 관측한다.
● 정밀유도센서/ 근적외선 이미지화 장치& 에칠 분광기: 캐나다 우주국 주도하에 개발 되었다. 빛을 감지하고 나누고 이미지화하는 장치이다.
허블 망원경을 대신해서 나사 과학자들은 제임스웹 우주 망원경 덕분에 저멀리 태양계와 태양계 너머로의 우주항행이 가능해져서 외계 문명과 조우할 날이 올 것이라 말한다. 2022년 6월에 제임스웹은 첫 사진을 전송해 왔고 임무를 잘 수행하고 있다.
