'인류의 눈' 제임스웹 우주망원경 발사 한달 만에 '목표 도달'[이슈시개]

제임스 웹 우주망원경 상상도. NASA's James Webb Space Telescope 페이스북 캡처

허블 우주망원경을 대체하는 차세대 우주망원경으로 약 30년간 100억 달러(약 12조원)를 들여 개발된 제임스 웹 우주망원경(James Web Space Telescope, JWST)이 발사 한달  만에 당초 목표로 했던 관측지점에 도달했다.

미국 항공우주국(NASA)에 따르면 지난해 12월 25일 프랑스령 기아나 우주센터에서 발사된 제임스 웹은 24일 오후 2시(미국 동부시간) 약 5분간 추진체 연소로 궤도 수정을 거쳐 라그랑주2(Lagrangian point2, L2) 궤도에 안착했다.

제임스 웹은 현존 우주망원경 중 가장 큰 규모로 6.4미터의 주경과 테니스 코트 크기의 안테나, 아파트 7층 규모의 높이로 구성된 반사망원경이다. 망원경의 이름은 1960년대 나사 2대 국장으로서 달 착륙 계획을 추진한 제임스 웹의 이름을 땄다.

태양의 영향을 받지 않는 환경에서의 관측

제임스 웹 우주망원경 항해 개념도. L2는 라그랑주2 지점을 의미한다. NASA 홈페이지 캡처

제임스웹은 왜 지구 정지궤도가 아닌 장기간 항해를 통해 라그랑주2 궤도까지 날아갔을까. 그 이유는 중력과 태양빛의 영향을 받지 않는 관측을 하기 위해서다.

라그랑주 궤도는 태양과 지구 두개의 천체 사이에서 중력과 위성의 원심력이 상쇄돼 실질적으로 각 천체 중력의 영향을 받지 않게 되는 다섯개의 평형점을 일컫는다.

라그랑주2 궤도는 태양을 중심으로 지구와 일직선상 거리에서 약 150만km 떨어져 있으며 이 거리는 지구와 달 거리 약 38만km의 4배 정도 되는 거리다. 궤도명은 천문학자 조세프 루이스 라그랑주(Joseph Louis Lagrange)가 발견해 그 이름을 땄다.

라그랑주2 지점은 태양이 지구에 가려지는 지점이기도 하다. 빛을 수신해 분석하는 망원경의 특성상 태양빛의 영향을 가장 적게 받는 곳은 우주 관측지점으로서 최고의 조건을 갖춘 지점으로 볼 수 있다.

하지만 제임스 웹은 라그랑주2 지점에 계속 머물러 있을 수 없다. 태양풍 또는 미세한 중력의 영향으로 제임스 웹의 위치가 조금씩 변하기 때문이다. 이 때문에 망원경에는 L2 궤도를 벗어나지 않도록 별도의 추진체가 탑재돼 있다.

기존과 완전히 다른 적외선 관측 시스템

제임스 웹의 반사 거울의 모습. NASA's James Webb Space Telescope 페이스북 캡처

제임스 웹이 천문학계서 조명받는 이유는 기존과 다른 관측 시스템의 차이에 있다.

허블 우주망원경은 사람의 눈처럼 가시광선을 통해 천체를 관측하는 시스템이지만 제임스 웹 망원경은 적외선을 통해 관측한다. 제임스 웹의 내부구조는 벌집 같은 구조의 금도금 거울들과 태양 빛을 가려주는 돛모양의 가림막 5겹 등으로 구성됐다. 금은 지금까지 알려진 광물중에서 적외선 반사율이 가장 높은 금속으로 알려져 있다.

가시광선은 눈으로 지각되는 파장 범위를 가진 빛으로 태양빛을 프리즘으로 분산시켰을때 7가지 색으로 분산된다. 적외선은 여기서 가장 끝부분의 적색선보다 더 바깥쪽에 있는 전자기파를 말한다.

이 덕분에 적외선 망원경은 가시광선보다 더 많은 파장을 수신해 광활한 우주를 관측하기엔 더 유리하다.

또한 적외선은 이용함에 따라 다양한 관측목표를 설정할 수 있다. 우주에는 행성, 항성과 다양한 크기의 데브리(우주에 떠있는 고체 물질)와 먼지구름이 존재한다. 가시광선은 이들을 통과할 순 없지만 적외선은 가능하기 때문이다.

이 성질을 잘 이용하면 기존에 볼 수 없었던 우주 공간의 관측이 가능하다. 천문학계는 이 망원경이 빅뱅 이후 처음 생겨난 1세대 은하를 관측할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

첫 결과물은 약 반년뒤 예정

NASA's James Webb Space Telescope 페이스북 캡처

장기간 항해 끝에 라그랑주2 궤도에 안착한 제임스 웹은 아쉽게도 곧바로 관측활동을 할 수 없다. 그 이유는 각 장비가 작동할 수 있는 준비 과정을 거쳐야 하기 때문이다.

제임스 웹에는 근적외선 카메라(Near InfraRed Camera, NIRCam), 근적외선 분광기(Near InfraRed Spectrograph, NIRSpec), 중적외선 관측 장비(Mid-Infrared Instrument, MIRI), 근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS) 등의 최첨단 장비가 장착돼 있다. 이 장비들은 매우 민감하고 작동환경이 까다로워 실관측까지 약 반년 동안 기기 작동 준비를 거쳐야 한다.

특히 냉각작업이 매우 중요한데 초고감도 적외선 관측에서는 장비에 열이 발생하면 관측물에 노이즈가 발생해 감도가 떨어지게 되기 때문이다.

관측포인트로 선정된 라그랑주2 지점은 다른 라그랑주 지점들보다 태양의 영항을 덜 받아 온도가 낮은 지점이다. 여기에 덧붙여 5겹으로 이뤄진 햇빛 가림막으로 태양의 영향을 최소화하고 극저온 냉각기까지 장착해 장비의 온도를 더욱 낮춘다.

제임스 웹에 장착된 4개의 최첨단 적외선 장비 중 3가지는 영하 233도(절대온도 40도), 중적외선 관측장비(MIRI)는 영하 266도(절대온도 7도)에서 작동한다.

우주에서 수신된 적외선을 반사하는 주경은 1.3m의 육각 금도금 거울 18개로 구성돼 있는데 각도를 조절할 수 있는 힌지 구조로 장착돼 있어 반사각도를 미세조정하는 작업도 진행된다.

이러한 준비 과정을 거친 후 제임스 웹은 약 6월 말 쯤 본격적인 관측작업을 시작할 예정이다. 허블 우주망원경 대비 100배 가량 뛰어난 성능으로 알려진 제임스 웹이 135억 광년의 딥스페이스의 적외선 결과물을 접하는 그날이 기다려진다.