제임스 웹 우주망원경의 관측 원리와 치명적 문제

제임스 웹 우주망원경이 2021년 12월 25일 드디어 발사되었습니다. 개발부터 발사까지 무려 25년의 시간과 한화 약 11조원의 예산이 투입된 어마어마한 프로젝트입니다. 제임스 웹 우주 망원경은 허블 우주망원경의 은퇴 후 그 자리를 대신해서 허블이 관측하지 못한 깊은 우주를 탐사할 예정입니다.

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목차

• 허블우주망원경
• 제임스 웹 우주망원경
• 도플러효과
• 적색편이
• 치명적문제
• 마무리하며

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허블우주망원경

허블 우주 망원경

제임스웹 우주망원경 이전 지난 30년간 인류에게 우주의 경이로운 모습을 보여준 허블 우주 망원경이 있었습니다.
나사는 대략 30년 전에 허블 우주망원경을 지구 밖으로 보낸이후 인류가 상상치 못한 우주의 미스테리를 정말 많이 풀어 냈습니다. 대표적인것이 블랙홀 존재의 강력한 증거와 많은 논란이 있었던 우주의 나이가 137억살 이라는 것입니다. 또 허블 딥 필드도 아주 대표적인 업적이죠.

딥필드
허블망원경이 우주공간에서 암흑으로 가득한 공간을 열흘동안 촬영했는데 그곳에서 적어도 2000개의 은하를 발견한 사진. 하나의 은하에는 약 1,000억개에서 2,000억개의 별들이 있고, 과학자들은 우주에는 수천억개의 은하가 있을것으로 예상합니다.

뿐만아니라 점점 증가하고 있는 우주의 팽창 속도와 우주가 암흑물질과 암흑에너지로 가득 차 있다는것도 알게 되었습니다. 이렇듯 허블 우주망원경이 아니었다면 우주가 얼마나 넓고, 은하와 별들이 얼마나 많은지 우리 인류는 절대 알수가 없었을거에요. 허블 망원경 덕분에 우주가 얼마나 큰지 깨닫게 된 것이죠.
그런데 허블 우주망원경의 수명이 얼마남지 않았습니다. 아니 이미 수명이 다해가는 것을 과학자들이 지속적인 수리와 업그레이드로 지금까지 연명할수 있게 만든것인데 이조차도 이제는 힘든것 같습니다.
그래서 과학자들은 허블보다 더 크고 가볍고 튼튼한 망원경을 더 저렴하게 만들어서 우주로 보내 지금보다 더 많은 업적을 세우자는 일념으로 제임스 웹 우주 망원경을 개발하게 된것입니다.

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제임스 웹 우주망원경

제임스웹 우주 망원경

허블의 자리를 대체할 제임스 웹 우주 망원경은 반사경이 18개의 조각으로, 벌집 모양처럼 생긴 독특한 모습을 하고 있습니다. 직경은 무려 6.5m나 됩니다. 허블의 직경이 2.4m 단일 반사경으로 만들어 진것을 생각하면 약 3배 정도 크조. 게다가 제임스 웹의 집광면적은 허블 망원경의 7배나 됩니다. 근데 무게는 허블의 60%밖에 안되죠. 허블이 약 11톤의 중량을 가진 반면 제임스 웹은 6.5톤에 불과합니다.
제임스 웹 망원경은 허블과는 관측하는 범위부터가 다릅니다. 주로 적외선 영역을 관측할 목적으로 설계 되었는데, 적외선 영역은 허블이 제대로 관측하지 못한 영역입니다. 적외선 영역을 관측하려면 주요 재질도 허블과는 달라야 합니다. 제임스 웹의 주요 재질은 베릴륨입니다. 베릴륨은 알루미늄보다 가볍고 강철보다 강합니다. 또한 열변형이 적고 적외선 반사능력 탁월 합니다. 적외선을 잘 반사 하기 위해 집광판에 금을 코팅 했습니다.

적외선을 관측해야 하는 이유
아주 멀리 있는 별이나 은하를 관측하기 위해선 적외선 관측 기법이 필요합니다.
우주는 빅뱅이후로 어마어마한 속도로 팽창을 하고 있습니다. 그리고 관측하는 위치에서 별이 멀수록 더 빠른 속도로 멀어지고 있죠. 우주공간의 팽창 속도는 빛의 속도 이상으로 빠르기 때문에 아주 먼곳에서 지구까지 도달하는 별빛은 도플러 효과로 적색편이 현상을 보여서 빛의 파장도 늘어나 버립니다. 이렇게 늘어난 빛의 파장을 관측하려면 적외선 영역을 관측해야 되는것입니다. 즉 적외선 영역이 아주 먼 거리에 있는 별을 관측할수 있는 것이죠.

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적외선으로 멀리 있는 우주를 관측하는 것을 이해하기 위해선 도플러 효과와 적색편이를 이해해야 합니다.

도플러 효과

도플러 효과

우리는 지금 자동차 경주를 보러 왔다고 가정 할게요.
관중석에서 머신들이 쌩쌩 지나가는 소리를 가만히 들어 보면 뭔가 이상함을 느낄수 있습니다. 머신이 지나갈때 마다 소리가 바뀌는 것이죠. 머신이 나에게 가까워 질수록 소리가 커지고, 멀어질수록 소리는 점점 작아집니다. 너무 당연한 현상이라 에이~라고 하실수 있는데요. 이것은 파동의 원천이 되는 파원과 파동을 관찰하는 관찰자 사이의 거리에 변화가 생겼기 때문입니다.
더 깊이 알아볼까요?
파동은 기본적으로 360도 전 방향 같은 속도로 퍼져 나갑니다. 그런데 파원이 이동해서 파동의 진행방향과 같게 된다면 파원과 파동의 상대 속도는 상쇄됩니다. 즉, 파장이 짧아 지는 것이죠. 같은 원리로 파동의 진행 방향과 파원의 이동 방향이 반대가 된다면 상대속도가 더해져서 파장이 길어지게 됩니다. 음파의 파장이 짧아지면 우리쪽으로 다가오는 머신의 소리는 높게 들리고 우리를 지나서 멀어지는 머신의 소리는 음파의 파장이 길어지기 때문에 낮은 음으로 들리게 됩니다.

소리를 내는 음원과 관찰자의 상대적 운동에 따라 음파의 진동수가 변화하는 것이 바로 도플러 효과이다.

만약 정지해 있는 머신앞에 서있으면 소리는 왜곡되지 않고 변하지도 않습니다. 우리 실생활에서도 종종 이런 경우가 있죠. 고성능 오토바이가 우리 주변을 지날때 소리를 생각해 보세요. 이해 가시나요?
그런데 도플러 효과는 소리뿐 아니라 모든 파동에 적용됩니다.

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적색편이

태양빛이 무슨색으로 보이나요? '대부분 색깔이 없다' 혹은 '백색이다'라고 이야기 하실거에요. 그런데 사실 태양빛은 여러파장의 빛이 합쳐져 있습니다. 학교 다닐때 과학시간에 스펙트럼에 빛을 통과 시키면 형형색색의 빛 나오는걸 보셨을거에요. 소나기가 내린뒤 무지개가 생기는것도 같은 원리 입니다. 이렇듯 태양빛은 여러 파장의 빛이 혼재되어 있는 것입니다. 빛의 파장에 따른 분포를 '스펙트럼'이라고 하는데요. 태양 빛의 스펙트럼은 빨주노초파남보 색깔의 레인보우처럼 색이 연속으로 나타난다고 해서 '연속 스펙트럼'이라고 합니다. 스펙트럼은 진동수가 많고 파장이 짧을수록 파란색을 띄고 진동수가 적고 파장이 길수록 빨간색을 띄게 됩니다.
예를들어 볼까요?
그럴리 없지만 태양이 지구쪽으로 맹렬한 속도로 다가오고 있습니다. 빛의 경우 광원이 접근해 오면 관측되는 진동수가 커지고 파장은 짧아집니다. 그래서 빛은 파란색을 보이게 되고 이 현상을 '청색편이'라고 합니다. 반대로 태양이 지구로부터 아주 빠르게 멀어지고 있다고 가정하면 진동수가 작아지고 파장은 길어지니까 빛은 더 빨간색 쪽으로 치우쳐 보이게 됩니다. 이런 현상을 '적색편이'라고 하죠. 즉 멀리 떨어져 있는 별이나 은하일수록 관측 했을때 적색으로 보인다는 말입니다.

광속으로 이동하는물체는 어떻게 보일까?
광속에 가까운 속도로 날고 있는 비행기가 있습니다. 그런데 한가지 궁금한 점이 있어요. 엄청난 속도로 이동중인 우주선의 모습은 어떻게 보일까요?
우주선의 모습은 보이기나 할까요? 만약에 보인다면 어떻게 보일까요? 빛의 속도에 가까우니까 빛처럼 보일까요?
영국 서리대(University of SURREY) 연구진은 빛의 속도에 가까운 아광속으로 이동하는 물체가 사람의 육안으로는 어떻게 보이는지에 대해 컴퓨터 모의 실험을 진행하였습니다. 관착자쪽으로 빠르게 다가오고 있는 우주선은 청색편이 때문에 파란색으로 보입니다. 그런데 우주선이 관찰자를 지나는 순간 적색편이 현상 때문에 빨간색으로 보이게 됩니다. 이것은 빛의 도플러 효과 때문에 빛의 파장이 왜곡되어서 생기는 현상입니다.

이렇게 우리는 도플러 효과와 적색편이 현상에 대해 알게되었습니다. 그리고 우리는 제임스 웹이 왜 적외선 영역을 관측하려고 하는지도 알게 되는겁니다. 정말로 멀리 떨어진 적색편이 현상을 보이는 별들과 은하들은 태어난지 아주 오래된 태초의 별과 은하일 확률일 대단히 높습니다. 이말인즉 적외선 영역으로 별과은하를 관측한다면 그것은 태초의 별과 은하인것입니다. 이것을 잘 관측한다면 은하의 형성과 별의 진화 과정들을 제대로 연구할수 있는 것입니다. 또 태어난지 오래된 행성들은 온도가 낮기 때문에 적외선을 주로 방출합니다. 이런 행성들을 찾아내려면 적외선 영역을 관측해야 하죠. 추가로 멀리 떨어진 별과 은하일수록 성간물질이나 먼지들이 빛을 분산시키고 흡수하기 때문에 이런것들이 관측에 상당한 방해 요소가 됩니다. 그렇지만 파장이 길어 투과성이 좋은 적외선으로 관측을 하면 성간물질을 통과할수 있습니다. 이렇게 적외선 영역을 관측한다는것 자체가 대단히 많은 장점들이 있기 때문에 인류가 지금까지 관측하지 못했던 우주의 모습을 볼수 있을것으로 기대하고 있습니다.

그런데 말입니다. 적외선 영역 관측이 말처럼 쉬운것은 아닙니다. 지구도 망원경도 마구 뿜어 내고 있거든요.
그래서 이 문제를 해결하지 않고 적외선 영역을 관측하려고 시도해봐야 지구와 망원경 자체의 적외선 때문에 교란이 생겨 아무것도 볼수 없게 됩니다. 그래서 찾아낸 방법이 있습니다. 망원경을 우주로 보내 주변을 절대 0도에 가깝게 온도를 내려 버리는 것입니다. 절대 0도에선 적외선이 거의 방출되지 않거든요. 그런데 지구의 적외선을 피해 망원경을 우주로 보내 절대 0도로 만들었지만 태양빛과 지구의 빛을 차단해야 하는 문제가 발생합니다. 갈수록 태산이죠.
그래서 과학자들이 찾아낸 방법이 바로 제임스 웹 망원경을 라그랑주 점으로 보내는 것입니다.

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라그랑주 점(Lagrangian point)

라그랑주 점

라그랑주 점이란 지구와 달의 상호간 중력이 상쇄되어 중력이 사실상 0이 되는 지점을 말합니다.
쉽게 설명하면 지구와 달의 중력이 1대1로 완벽한 균형을 이루가 가정하겠습니다. 지구와 달 사이에 축구공을 두었을때 지구에 조금이라도 가까우면 지구로 다가올것이고 달에 가까우면 달에 떨어지겠죠? 그렇다면 축구공이 지구와 달의 중력이 상쇄되는 정확히 중앙에 위치하고 있다면 어느쪽으로도 치우치지 않고 그자리에 머물러 있게 될것입니다. 이 지점을 처음 발견한 프랑스 수학자 루이 라그랑주의 이름을 따서 라그랑주 포인트라고 하는 것입니다.
지구와 태양의 중력이 상쇄되는 라그랑주 점은 L1~L5까지 다섯곳이 있습니다. 그중에서 지구에서 150만km 떨어진 L2 라그랑주 점이라면 지구의 공전주기와 동일하게 태양을 돌면서 태양빛의 간섭없이 심연의 우주를 관측할수 있습니다.
하지만 L2지점이 100% 안전한 곳은 아닙니다.
태양풍이나 미세한 중력의 영향으로 아주 조금씩 궤도를 벗어나게 되거든요. 그래서 이 위치를 잡아주기 위해 별도의 추진체가 장착되어 있습니다. 근데 이 추진체도 무한한것이 아니라서 10년정도 밖에 사용할수 없다고 합니다. 그러니까 10년이 지나면 차츰 L2지점을 벗어나게 될것이고 시간이 더 지나면 본래의 임무는 더이상 수행하지 못하게 되겠죠

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치명적 문제

첨단 우주 기술의 결정체인 제임스 웹 우주망원경에도 치명적인 문제가 있습니다. 10년의 운용기간을 차치하더라도 지구에서 너무 멀리 떨어진 곳에 설치 하는 것이기 때문에 사후관리를 할수 없다는 것입니다. 발사 초기 치명적인 오류가 생긴다면 사진한장 찍기 전에 11조짜리 우주 쓰레기로 전락할수 있다는 것이죠.
사실 허블망원경은 비교적 가까운곳에서 지구 궤도를 공전하기때문에 과학자들이 수시로 우주로 나가 수리와 업그레이드를 하며 사용기간을 늘려 왔습니다. 그래서 원래 수명보다도 15년이나 더 운영할수 있었던 거고요. 영화 '그레비티'에 허블 망원경 수리하는 장면이 초반에 나오죠.
그래서 이런 질문을 할수도 있습니다.

제임스 웹 망원경도 과학자들이 우주선 타고 날아가서 고치면 되는거아냐?
좀 멀다고 그게 그렇게 힘든 일인가?

네 진짜 진짜 힘듭니다. 현실적인 이유가 바로 비용입니다. 비용이 얼마나 드냐면 차라리 제임스 웹 우주망원경을 새로 쏘아올리는것이 나을 정도이니까요. 그러니까 최소 11조 내외라는 거죠. 그래서 제임스 웹 프로젝트는 절대 실패하면 안됩니다. 절대!

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마무리하며

지구상 천체과학자와 저와 같은 우주덕후의 염원을 담은 제임스 웹 망원경은 성공적인 발사와 더불어 목표로 했던 L2 라그랑주 점에 진입하여 본격적인 관측준비를 마쳤습니다. 앞으로 약 6개월간 시운전을 하며 태초의 우주 관측을 위한 세팅을 한다고 합니다. 8월달이면 첫 사진 혹은 영상을 볼수 있다고 하니 정말 기대됩니다. 태초 우주의 모습은 어떤 모습일까요? 그리고 지구외에 생명체가 사는 행성을 찾을수 있을까요?