먼저 이 포스팅은 MIT Technology Review에 제시된 주제를 가지고 작성한 내용입니다. 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telecscope, JWST)은 2021년 12월 25일 프랑스령 기아나에 있는 기아나 우주센터에서 발사되었습니다. 제임스 웹 우주 망원경이란 무엇일까요? 어떤 임무를 가지고 우주로 향하게 됐는지 간단하게 살펴보겠습니다.
1. 제임스 웹 우주 망원경의 역사
제임스 웹 우주 망원경(이하, 제임스 웹)의 운영기간은 10년으로 이 기간동안 전 세계에 있는 천문학자들에게 우주에 관한 여러 가지 자료를 제공할 예정입니다. 제임스 웹은 미국 NASA에서 근무했던 James Edwin Webb의 이름을 따서 만든 우주 망원경입니다. NASA의 두 번째 관리자였으며 국무부 차관을 지냈던 James E. Webb은 아폴로 임무를 시작하기 전 머큐리와 제미니 프로그램을 감독했습니다. 그에 대한 경의의 표시로 차세대 우주 망원경의 이름을 제임스 웹이라고 지었습니다.
제임스 웹은 미국의 NASA, 유럽의 ESA, 캐나다의 CSA 간 공조를 통해 만들어 졌으며, Northrop Grumman사와의 협력으로 제조하였습니다. 제임스 웹을 위해 투입된 예산은 100억 달러에 이르고, 허블 망원경 대비 100배 뛰어난 성능이라고 합니다. 허블 망원경은 우주 팽창속도의 측정, 은하의 진화 모습 등을 담아 천문학 이론을 바꾸는 위대한 업적을 남긴 망원경입니다. 하지만 미국 NASA는 허블 망원경이 발사되기 직전부터 차세대 망원경에 대해서 논의하기 시작했다고 합니다.
제임스 웹은 2004년부터 본격적으로 개발에 들어갔습니다. 하지만 2011년 책정 예산보다 너무 많은 예산이 투입됨에 따라 미국 의회에서 제임스 웹 프로젝트를 취소했습니다. 그 이후 과학자들의 끈질긴 설득과 오바마 대통령의 결단으로 프로젝트가 다시 살아나게 됩니다. 개발 시점에는 2007년 발사를 목표로 했으나 기술적인 문제로 인해 2018년까지 미뤄지게 됩니다. 또한 2018년 발사를 1년 앞두고 조립단계에 대한 문제점 발견, 태양 차단막의 손상으로 인해 2021년까지 발사가 미뤄집니다. 제임스 웹의 발사를 위해 대략 20년 가까운 시간이 소비된 것입니다.
2. 제임스 웹의 구성
제임스 웹을 구성하는 부분은 크게 4가지입니다. 제임스 윗면의 광학 망원경, 망원경 거울 뒷면에 위치한 통합 과학기기 모듈, 아랫면의 우주선, 그리고 제임스 웹을 태양열로부터 보호하는 태양 차단막이 있습니다.
1) 제임스 웹 광학 망원경
제임스 웹의 가장 중요한 부분입니다. 광학 망원경은 주경, 부경, 주경과 부경을 지탱하는 구조물, 후면광학계가 있습니다. 주경의 직경은 5m이며, 육각형 모양의 18개의 조각 거울이 있습니다. 부경은 직경 0.74m이며 주경에서 반사된 빛을 다시 반사시켜 후면 광학계로 보내는 역할을 합니다. 주경과 부경은 모두 베릴륨이라는 물질로 이루어져 있으며, 또한 금으로 코팅되어 있습니다.
제임스 웹의 주경은 왜 육각형으로 만들었을까요? 육각형은 재료 구조에서 원형 다음으로 안정한 구조입니다. 벌집의 구조가 육각형으로 되어 있죠. 육각형으로 만들게 되면 주경 사이사이 틈을 최소화시킬 수 있다고 합니다. 그리고 빛을 가장 작은 영역으로 집중시킬 때는 원형이 유리하지만 거울의 각 부분을 연결하기에는 육각형이 최적의 모양이라고 설명합니다. 또한 주경을 이루는 베릴륨이라는 물질은 어떤 특성을 가지고 있을까요? 베릴륨은 가볍고 튼튼한 금속 원소입니다. 가벼우면서도 내구성이 매우 뛰어나기 때문에 극한 환경에서도 거울의 형태를 그대로 유지할 수 있습니다.
베릴륨도 비쌀텐데, 금까지 표면에 도금한 이유는 무엇일까요? 금은 빛을 98% 반사하는 높은 반사율 특성을 가지고 있습니다. 광자(Photon)를 통해 우주를 측정해야 하는 제임스 웹의 경우 최적의 물질이지만 거울 전체를 금으로 만들기에는 가격의 부담이 있기 때문에 도금으로 처리한 것입니다.
2) 통합 과학기기 모듈
이 모듈에는 카메라, 분광기 등과 같은 측정, 분석 장비들이 있습니다. 과학측정장비로는 근적외선 카메라(Near Infrared Camera, NIRCam), 근적외선 분광기(Near Infrared Spectrograph, NIRSpec), 근적외선 이미지 및 분광기(Near Infrared Imager and Sliteless Spectrograph, NIRSS), 중적외선 기기(Mid Infrared Instrument, MIRI) 등 총 4개의 분석기기가 들어있습니다. 이외에도 미세 별 추적 센서라는 장비가 들어있는 것으로 알려져 있습니다.
3) 우주선
제임스 웹의 우주선은 망원경 운영에 필요한 전원 공급, 자세 제어, 통신, 데이터 저장 및 전송, 추진 시스템, 열 조절 등의 기능을 역할을 수행합니다.
4) 태양 차단막
제임스 웹이 극저온을 유지하기 위한 필수장치입니다. 차단막 제조를 위한 사용한 물질은 캡톤(Kapton)으로 온도 차이가 심한 우주 환경에서 많이 쓰이는 물질입니다. 표면은 알루미늄과 실리콘으로 코팅되어 있고, 이는 태양 빛과 열을 효과적으로 반사시킵니다. 태양 차단막이 모두 퍼져 있는 상태가 되면 각 막 사이의 공간이 생기는데, 이 진공 상태의 공간이 단열재로 작용하면서 태양을 향하는 쪽은 섭씨 85도, 반대쪽에 놓인 광학 망원경 요소와 복합 과학기기 모듈이 있는 부분은 영하 235도로 유지됩니다. 태양 차단막은 320도 정도의 온도 차이를 운영 기간 내내 유지해 주는 역할을 담당합니다.
3. 제임스 웹의 역할
제임스 웹의 주요 임무 네 가지로 구분됩니다.
● 초기의 우주(Early Universe)
● 은하의 변천(Galaxies over Time)
● 항성의 생명주기(Star Lifecycle)
● 외계의 발견(Other Worlds)
2022년 7월에 올라온 제임스 웹의 분석 자료를 보면 외계행성인 WASP-96b 행성에 구름이 있음을 예보했습니다. 이는 외계행성에도 물이 있다는 증거를 찾은 자료이며, 행성의 대기를 통해 걸러진 빛을 분광기로 분석하여 밝혀낸 것입니다.
MIT Technology Review에서는 제임스 웹이 천문학 분야에서 새로운 지평을 열고, 빅뱅 이후 우주 최초 은하 생성에 대한 비밀을 풀어줄 수 있을것이라고 기대하고 있습니다. 또한 미래를 대비해 사람이 살 수 있는 외계행성을 찾는 등 다른 행성의 대기 구성을 알아낼 수 있을 것이라고 이야기하고 있습니다.
관측 기술의 발달은 탐험 기술의 발달과 연결될 수 있습니다. 현재의 기술수준에서는 스페이스 X나 블루오리진과 같이 지구 대기권에서 여행하는 정도에 머물고 있지만, 기술은 점점 발달하고 이는 언젠가 사람이 우주로 외계행성 탐험에 나설 수 있다는 의미가 되기도 합니다. 상상만으로, 영화에서만 볼 수 있는 우주가 아닌 직접 경험할 수 있는 우주로 바뀔 수 있기를 기대합니다.
By. POLF
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