제임스 웹 우주 망원경 JWST가 공개할 첫 이미지에 대한 기대

<출처 - newscientist.com>

2021년 크리스마스에 프랑스령 기아나 우주센터에서 아리안 5호에 실려 발사된 차세대 우주 망원경, 제임스 웹 우주 망원경 (JWST)이 드디어 다음 주 (한국시간 7월 12일 11pm), 첫 공식 이미지를 공개합니다. 제임스 웹 우주 망원경의 그동안 준비과정과 어떤 이미지를 보내올지 정리합니다.

 

 

Update 2022.7.13

제임스 웹 우주 망원경이 보낸 풀사이즈 원본 링크

 

제임스 웹 우주 망원경 (JWST, James Webb Space Telescope)

우리에게 가장 유명한 허블 우주 망원경보다 훨씬 좋은 성능의 차세대 우주 망원경이 작년 크리스마스에 지구를 떠나 달 보다 4배 정도 먼 거리에 안착해서 데이터를 수집할 과정을 마치고 드디어 7월 12일 화요일에 첫 공식 이미지를 보냅니다.

 

'제임스 웹'이라는 우주 망원경의 이름은 아폴로 프로젝트의 초반 임무를 성공적으로 지휘한 NASA 2대 국장 '제임스 에드윈 웹'의 이름에서 따왔습니다. 주 반사경의 직경이 허블의 2.5배로 6.5미터에 달하는 현존하는 가장 거대한 우주 망원경인 JWST가 우주로 가기까지의 과정을 아주 간략하게 정리해보겠습니다.

 

▶ JWST가 우주에 가기까지

1990년 허블 우주 망원경이 처음 가동했을 때, 이미 NASA에서는 그 이후의 망원경에 대한 논의가 시작되었고, 1996년에 허블이 볼 수 없는 것도 찍을 수 있는 우주 망원경을 허블의 수명이 다할 즘 발사하기 위한 프로젝트가 시작되었습니다. 2002년에 지금의 '제임스 웹 우주 망원경'이라는 프로젝트 이름이 결정되었고, 2007년 발사를 목표로 했습니다.

 

기술적인 문제나 예산 문제로 2014년으로 연기된 목표 일정도 여러 차례 지연되며, 허블의 하드웨어를 업그레이드하며 그 공백을 메웠습니다. 허블은 상대적으로 가까운 곳에 위치해서 우주왕복선으로 기기 수리나 업그레이드가 가능했습니다. JWST는 달보다 네 배 먼 곳에 위치했기 때문에 기술적인 결함이 있으면 우주 왕복선을 이용한 수리가 불가해서 결함이 없도록 만전을 기해야만 했습니다.

 

결국 2019년 8월에 전체 조립이 완료되었고, 코로나19 등의 이유로 연기가 거듭되었다가 2021년 12월 25일 기아나 우주센터에서 아리안 5호에 실려 우주로 발사되었습니다.

 

▶ JWST의 준비과정

크리스마스에 지구를 떠난 발사체 아리안 5호에서 최종 분리된 JWST는 한 달을 날아 원하는 위치 L2 포인트에 안착했습니다. 발사체가 너무 정확한 위치에 JWST를 안착시켰기 때문에 JWST의 자체 연료를 거의 소모하지 않아서 기존 예상했던 10년의 수명도 두 배 늘어날 것으로 전망하고 있습니다.

 

L2 포인트는 태양과 지구의 중력 평형 지점이라고 불리는 5개의 라그랑주 포인트 중 두 번째 위치로 항상 지구와 같은 속도로 공전하면서 지구를 늘 볼 수 있는 위치입니다.

 

망원경의 주 반사경 직경 6.5미터나 되는 거대한 크기에 테니스장 크기의 5겹 차단막이 있는 JWST를 우주로 보내기 위해 가볍게 제작되어야 했고, 접힌 채 발사되어 우주에서 펼칠 수 있는 형태로 만들어야 했습니다. 베릴륨으로 만들어 허블의 질량 절반밖에 되지 않으며 반사경은 도금된 18개의 벌집 형태 거울로 되어 있어서, 발사된 후 우주에서 도르래와 모터를 이용해 펼치도록 디자인됐습니다.

 

<출처 - NASA 블로그, blogs.nasa.gov/webb/2021/12/>

위에 첨부한 그림처럼 제임스 웹 우주 망원경이 서서히 펼쳐졌고, 2022년 1월 31일에 모든 관측 장비에 전원이 공급되었습니다. 테니스장 크기의 5겹이나 되는 차단막이 있는 이유는 적외선으로 관측하는 망원경이기 때문에 태양의 열기를 차단해야 하기 때문입니다. 전원이 공급된 후, 10억 분의 1미터 단위로 섬세하게 조정이 가능한 18개의 반사경의 미세 정렬 작업과 초점 정렬을 실시하고 시험 가동을 하며 촬영된 영상을 보내왔습니다.

 

지난 5월 9일에는 적외선 우주 망원경인 스피처 (Spitzer)와 동일하게 대마젤란 은하를 찍은 비교 사진이 공개되었습니다.

 

<출처 - NASA 블로그, blogs.nasa.gov/webb/2022/05/>

해상도라고 말하면 일반인에게 훨씬 이해가 쉬운 '분해능'에서 제임스 웹 우주 망원경의 엄청난 성능 차이를 느낄 수 있습니다. 우주를 연구하는 학자 들은 스피처(Spitzer)도 기존의 와이즈(Wise)에 비하면 굉장히 훌륭한 자료였고 이를 근거로 수많은 좋은 연구들이 나왔다고 합니다. 더 자세히 관찰 가능한 JWST가 학문적으로 어떤 기여를 할지 정말 큰 기대가 됩니다.

 

▶ JWST 관측 장비

JWST는 크게 4개의 중요한 관측 장비를 탑재하고 있습니다. NIRCam, NIRSpec, MIRI, NIRISS 가 바로 그것입니다.

 

NIRCam (Near InfraRed Camera, 근적외선 카메라)

애리조나 대학교 주도로 개발된 NIRCam은 단색에 가까운 적외선 파장을 미세한 파장의 범위에 따라 여러 필터를 이용해 다양한 색을 입혀 컬러화 된 이미지를 육안으로 볼 수 있게 하는 장치입니다. 기존 허블이 찍은 멋진 컬러 우주사진들은 후처리로 가공한 사진이지만 NIRCam은 컬러화 된 영상을 바로 육안으로 볼 수 있게 합니다.

NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph, 근적외선 분광기)

근적외선을 분광하는 장비로 고분해능, 중간 분해능, 저분해능으로 관측이 가능합니다. 스펙트럼 분석으로 행성의 대기를 관측하고 분석하는데 도움이 될 것으로 기대합니다.

MIRI (Mid-InfraRed Instrument, 중적외선 관측 장비)

앞서 설명한 근적외선과 달리 5~27 마이크로미터의 중적외선을 관측합니다. 상단, 대마젤란 은하 비교 사진이 MIRI로 얻은 영상입니다.

NIRISS (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, 근적외선 영상 장치 겸 슬릿리스 분광기)

국제 프로젝트의 일환으로 캐나다 우주국 주도로 개발되었으며 망원경이 표적을 정확히 지향해서 품질이 좋은 이미지를 얻을 수 있도록 FGS (Fine Guidance Sensor, 정밀 지향 센서)가 일체화된 근적외선 관측 장비입니다.

 

 

▶ JWST에 거는 기대

JWST에게 빅뱅 이후 최초의 별이나 은하의 형성 과정, 외계 생명체 탐사나 생명의 기원에 대한 궁금증을 해결할 수 있을 것이란 기대를 걸고 있습니다.

 

NASA 국장 빌 넬슨이 공식적으로 JWST가 보낼 데이터에 대한 언급을 아래와 같이 한 적이 있습니다. 크게 네 가지를 이야기했는데 이를 근거로 다음 주에 있을 JWST의 첫 공개 이미지를 예상해볼 수 있습니다.

 

* 아래 내용은 유튜브 '안될과학'의 내용을 참고하고 인터넷에서 자료를 검색해서 재구성했습니다. '안될과학'에서 7월 12일 밤 11시에 라이브로 중계를 할 예정입니다. 저도 관심 있게 시청할 예정입니다.

 

인류가 본 우주의 이미지 중 가장 깊은 곳, 그리고 가장 먼 곳을 볼 수 있을 것이다

우주의 가장 깊은 곳과 가장 먼 곳은 물리적인 거리뿐 아니라 오래된 시간을 거슬러 볼 수 있다고 해석할 수 있습니다. 광년의 의미와 상상할 수 없는 크기의 우주에 대해 배운 후, 밤하늘의 별을 보며 '더 이상 존재하지 않는 별이 보낸 빛을 이제야 보는 것일 수 있겠구나' 느낀 경험이 많을 것입니다.

 

허블 우주 망원경으로 찍은 울트라 딥 필드 (HUDF) 이미지는 우주에 관심 있는 사람이라면 익히 알고 있는 사진으로 아무것도 없을 것 같은 우주의 한 공간을 총 2주의 통산 노출시간으로 얻은 영상인데 이 이미지 속에 약 만 개의 은하를 볼 수 있었습니다. 그 이후 익스트림 딥 필드 (HXDF) 이미지도 NASA에서 공개했고, 132억 년 전 은하가 포착되기도 했습니다.

 

< 허블 익스트림 딥 필드 13색 합성 사진, 출처 - 나무위키>

 

훨씬 성능이 좋은 JWST는 허블 익스트림 딥 필드 이미지보다 더 많은 은하를 담을 수 있을 것으로 예상하며 빅뱅 이후 최초의 별을 발견할 수 있는 딥 필드 영상을 공개하지 않을까 기대합니다.

 

은하가 어떻게 상호작용하며 성장하고 충돌하는지 볼 수 있을 것이다

이미 허블로 찍은 아름다운 은하의 충돌 사진을 봐왔지만 더욱 세밀한 관측이 가능한 JWST는 더 멋지고 학문적으로도 가치 있는 데이터를 보내줄 것이라고 기대하고 있습니다.

 

<허블 망원경에 찍인 IC2431 은하 충돌 사진, 출처 - 위키미디어>

위 사진은 6억 8천만 광년이 떨어진 IC2431 은하 충돌을 허블로 찍은 사진입니다. 두 은하가 충돌하면 성간 물질들이 결합해서 별이 탄생하게 됩니다. 은하의 충돌로 우주의 가스들이 어떻게 결합해서 별이 탄생하게 되는지 조금 더 자세하게 들여다볼 수 있게 됩니다.

 

별의 형성과 일생을 보여줄 수 있을 것이다

은하의 충돌 과정에서 탄생한 별이 어떻게 죽어가는지 또한 볼 수 있을 것으로 기대합니다. 늙은 별은 커지다가 가스를 내뿜으며 아름다운 모습을 보이는데 이를 행성상성운이라고 합니다. 허블 우주 망원경으로도 2천 광년 떨어진 NGC3132, 8천 광년 떨어진 오리온자리의 NGC2022 등의 사진을 검색을 통해 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 마찬가지로 JWST로 보는 행성상성운 또는 초신성 폭발 등의 이미지가 공개될 것으로 기대합니다.

 

외계행성의 대기성분을 관측할 수 있는 분광 스펙트럼 자료를 보낼 것이다

생명체가 살 수 있는 환경은 대기관측을 통해 추정할 수 있고, JWST에 있는 분광기로부터 스펙트럼 분석을 해서 이를 밝힐 수 있습니다. 7월 12일에 공개될 자료는 일반인도 관심을 가질 수 있도록 대기 중에 어떤 성분이 주를 이루고 있는지 간단한 형태의 그래프로 도시할 것으로 예상합니다.

 

태양과 40광년 밖에 안 되는 가까운 곳에 있는 별 TRAPPIST-1 시스템의 대기 연구에 JWST 관측에 많은 시간을 배정한만큼, TRAPPIST-1 시스템의 분광 스펙트럼 자료가 공개되길 기대합니다. TRAPPIST-1 시스템에는 7개의 암석형 행성이 있고 그중, 생명체가 살 가능성이 높은 지역인 '골디락스 존' 영역의 행성이 4개가 있는 것으로 알려져 있습니다.

 

글을 마무리하며

태초의 우주와 생명의 기원을 탐구할 수 있는 발판이 마련된다는 점에서, 그리고 그 첫 이미지를 곧 볼 수 있다는 점에서 무척 가슴 설렙니다. 10년에서 많게는 20년 동안 JWST로부터 디테일한 관측 자료를 받는 지구의 학자들은 어떤 의미 있는 연구 결과를 쏟아낼지 기대가 큽니다. 우주로 향하는 엄청나게 큰 발걸음을 동시대에 살며 목격할 수 있다는 점에서 우린 정말 행운아인 것 같습니다.