허블 능가 '최강' 웹 망원경 인류 호기심 안고 마침내 우주로

태양광 패널 펼치며 고비 300개 가장 복잡한 우주 전개·배치 시작

한달 뒤 지구서 150만㎞ 떨어진 L2 궤도 진입…6개월 뒤 본격 관측

 

    제임스 웹 우주망원경(일러스트) [UPI/NASA 제공. 연합뉴스]

 

허블 우주망원경을 능가하는 역대 가장 크고 강력한 '제임스 웹 우주망원경'(JWST)이 우주의 기원과 외계행성의 다른 생명체 존재에 대한 인류의 호기심을 안고 발사됐다.

 

웹 망원경은 25일 오전 6시 20분께 프랑스령 기아나 쿠루 인근 유럽우주국(ESA) 발사장인 기아나 우주 센터의 아리안 제3발사장(ELA-3)에서 아리안5호 로켓에 실려 우주로 향했다.

 

웹 망원경을 탑재한 아리안 로켓은 발사 전 절차가 순조롭게 진행돼 발사 창이 열리자마자 곧바로 화염을 내뿜으며 날아올라 인류에게 '성탄절 선물'을 안겼다.

 

웹 망원경은 발사 27분 뒤 대기권 밖에서 로켓과 성공적으로 분리됐으며 그 직후 태양광 패널을 펼치는 것으로 우주 전개를 시작했다.

 

웹 망원경이 분리되자 기아나 우주센터 관제실에서는 환호성이 터져 나왔으며 이후 관제권은 미국 우주망원경과학연구소(STScI)으로 넘겨졌다.

 

이번 프로젝트를 추진한 미국 항공우주국(NASA)은 이날 발사에 대해 '향후 10년의 우주과학 관측이 개봉됐다'고 표현했다.

 

빌 넬슨 NASA국장은 "웹 망원경은 우리를 우주가 시작하는 바로 그 시점으로 데려갈 타임머신"이라며 발사 성공을 축하했다.

 

우주로 발사되는 웹 망원경 탑재 아리안5호 로켓=제임스 웹 우주망원경을 탑재한 아리안5호 로켓이 25일 오전 9시 20분 프랑스령 기아나 쿠루 인근의 '기아나 우주센터'에서 화염을 뿜으며 발사되고 있다.

   상단 로켓에서 분리된 뒤 목표 탄도에 오른 웹 망원경 [NASA TV 캡처]

 

웹 망원경은 앞으로 테니스장 크기(21×14ｍ)의 태양 빛 차광막과 지름 6.5ｍ의 주경을 펼치는 등 보름에 걸쳐 우주 전개를 진행하며 이후 2주간 더 비행해 한 달 뒤 지구와 태양이 중력 균형을 이루는 약 150만㎞ 밖 제2라그랑주점(L2) 궤도에 진입한다.

 

이곳에서 궤도를 돌며 주경을 구성하는 18개의 육각형 거울이 하나처럼 움직이도록 미세조정하고 시험 관측으로 근적외선카메라(NIRCam)를 비롯한 과학 장비를 정밀하게 점검하는 과정을 거쳐 약 6개월 뒤부터 본격적인 관측을 시작해 포착한 이미지를 지구로 송신한다.

 

웹 망원경은 10년간 작동하도록 설계됐다.

 

◇ 허블 능가하는 역대 최강 우주망원경…아직 고비 많이 남아

 

     우주망원경 주경 비교. 위부터 스피처, 허블, 웹 망원경 [NASA 제공]

 

웹 망원경은 관측 대상의 빛을 모으는 역할을 하며 망원경의 감도와 직결되는 주경의 크기가 6.5ｍ에 달한다. 이는 지름 1.32ｍ의 금도금 베릴륨 거울 18개를 벌집 모양으로 이어붙인 형태다.

 

지금까지 가장 강력한 우주망원경 역할을 해온 허블 망원경(2.4ｍ)이나, 같은 적외선 망원경인 스피처 망원경(0.85ｍ)과는 비교가 안 될 정도로 크다.

 

여기에다 파장이 길어 가시광선보다 우주의 먼지와 가스구름을 뚫고 더 멀리 가는 근적외선과 중적외선을 포착, 가시광선 관측에 집중한 허블 망원경보다 성능이 100배 더 뛰어난 것으로 알려진다.

 

이론적으로 지구에서 약 38만㎞ 떨어진 달에서 날아다니는 호박벌의 열을 감지할 수 있는 감도다.

 

이런 성능은 열에 민감한 적외선 망원경을 다섯겹의 차광막으로 태양빛을 막아 -235℃의 초저온 상태로 유지할 수 있어 가능해졌다.

 

하지만 역대 가장 큰 차광막과 주경을 아리안 로켓의 지름 5.4ｍ 페어링 안에 넣느라 종이접기처럼 접었으며, 이를 우주에서 펼쳐 고정하는 과정에서 50차례의 주요 전개와 178차례 방출이 이뤄진다.

 

이 과정에서 하나라도 잘못되면 약 100억달러(11조8천500억원)가 투입된 웹 망원경의 성능을 떨어뜨릴 수 있는 위험요소가 300개가 넘는 것으로 알려졌다.

 

초기 우주 퀘이사의 웹 망원경 NIRCam 이미지 시뮬레이션 결과 [NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) 제공]

 

◇ 달 착륙에 비견되는 우주 숙제 풀어줄 망원경

 

웹 망원경은 역대 최강 성능을 바탕으로 빅뱅 이후 약 3억년 밖에 흐르지 않은 135억년 전 초기 우주의 1세대 은하를 관측할 수 있다.

 

이를 통해 모든 단계의 은하를 관측하고 비교함으로써 은하의 형성과 진화를 이해하고 은하의 분포를 파악해 암흑물질과 암흑에너지의 실체에도 한 걸음 더 다가설 수 있을 것으로 기대를 모은다.

 

또 외계행성 대기의 구성 성분을 분석해 생명체가 존재할 수 있는 행성인지도 파악할 수 있다.

 

가까이는 태양계 내 카이퍼벨트 천체나 소행성의 표면도 관측할 수 있는 등 더 멀리, 더 깊이 볼 수 있는 망원경으로 우주 곳곳을 들여다볼 수 있다.

 

이런 관측 능력은 기존 망원경의 한계로 미뤄뒀던 우주의 수수께끼를 풀어내며 아폴로 우주선의 달착륙처럼 우주에 대한 이해를 크게 바꿔놓을 것으로 보인다.

 

과학계가 잇단 발사 연기에 실망하면서 웹 망원경에 대한 기대의 끈을 놓지 못하고 학수고대한 것도 이런 이유에서다.

 

적외선으로 우주를 보는 웹 망원경은 애초 10억 달러를 투입해 2010년께 발사하는 계획을 갖고 시작됐으나 연이은 기술개발 차질과 예산 부족으로 비용은 10배로 불어나고 일정도 10여 년이 늦어졌다.

 

비용이 눈덩이처럼 증가하면서 한때 폐기론까지도 나왔으나 결국 이를 모두 극복하고 우주 전개와 배치 작업을 시작함으로써 1989년 첫 개념이 제시된 뒤 32년 만에 현실화에 한 발짝 더 다가서게 됐다.

 

미소 우주경쟁 시대인 1960년대 NASA의 2대 국장(1961∼1968년)으로 미국의 달 착륙 계획을 추진한 제임스 웹의 이름을 땄다.

 

제임스 웹 우주 망원경 [AP/NASA 연합뉴스]

 

제임스웹 우주망원경 발사…금빛 거울로 최초의 별을 본다

 

25년간 13조원 투입된 사상 최대 천문학 프로젝트

지구 150만km 하늘서 우주 형성 초기의 별들 관측

 

 우주에서 관측 활동 중인 제임스웹 우주망원경 상상도. 나사 제공

 

“천문학을 집어삼킨 망원경”(네이처). “천문학에 혁명을 일으킬 프로젝트”(사이언스).

 

30년이 넘은 ‘허블 우주망원경’의 뒤를 잇는 ‘제임스웹 우주망원경’(JWST)이 25일 오전 6시20분 남미 브라질 북쪽의 프랑스령 기아나 우주센터에서 아리안5호 로켓에 실려 발사됐다. 프로젝트가 출범한 지 25년만이다.

 

천문학 사상 최대 프로젝트인 제임스웹 우주망원경은 허블보다 약 100배, 육안보다 100억배 더 강력한 성능으로 먼 우주에서 우주 형성 초기에 일어났던 현상을 관찰하는 것이 주임무다.

 

빌 넬슨 미국항공우주국(나사) 국장은 발사에 앞서 “제임스웹 우주망원경은 우리가 큰 꿈을 꿀 때 무엇을 성취할 수 있는지 보여주는 빛나는 사례”라며 “우리는 늘 이 프로젝트가 위험한 시도라는 걸 알고 있었지만 큰 보상을 원한다면 큰 위험을 감수해야 한다”고 말했다.

 

주거울 지름 6.5미터…허블의 약 3배

 

주로 가시광선으로 관측하는 허블과 달리 제임스웹은 적외선으로 별을 본다. 이를 위해 지름 6.5미터의 반사경과 4개의 적외선 관측 장비를 갖췄다.

노스럽그러먼이 제작한 제임스웹은 테니스 코트 크기(21미터)의 얇은 5겹 햇빛 가림막을 가운데 두고, 태양과 지구를 향해 있는 양달 부분과 그 반대편 응달 부분으로 나뉘어 있다. 양달 쪽에는 태양전지판과 우주선 제어 시스템이, 응달 쪽에는 우주의 빛을 수집하는 주거울과 수집한 빛을 되쏘아주는 보조거울, 그리고 4개의 관측장비가 있다. 주거울은 1.3미터 크기의 육각형 반사경 18개를 합쳐 만들었다. 거울 소재는 유리가 아닌 베릴륨 금속이며, 표면에 빛 반사율이 좋은 금을 입혔다. 주거울 지름은 허블(2.4미터)의 2.7배다. 허블보다 빛을 6.25배 더 많이 모으고, 시야각은 15배 이상 넓다. 덩치는 크지만 가벼운 베릴륨 금속을 쓴 덕분에 망원경 전체 무게(6.2톤)는 허블의 절반이다.

 

제임스웹 망원경은 워낙 커서 몇겹으로 접어서 발사됐다. 앞으로 제 모습을 찾기까지 우주에서 반사경과 햇빛 가림막, 태양광 패널 등을 여러 단계에 걸쳐 펼치는 작업을 수행해야 한다. 제임스웹은 이륙 30분 뒤 태양 전지판을 펼치는 것으로 50차례의 펼침 작업을 시작했다.

 

궤도를 향해 날아가는 도중 아리안5호의 덮개가 벗겨지면서 제임스웹 망원경이 드러나고 있다. 나사 제공

 

궤도까지 한 달 비행…정식 관측은 6개월 후

 

이 작업 과정에는 한 순간에 모든 걸 망칠 수 있는 ‘단일 장애 지점’ 344개가 기다리고 있다. 지구에서 150만km 떨어진 작동 궤도에 도착하는 한 달 동안, 이 관문을 무사히 통과하는 게 일차 목표다. 접혀진 부분을 모두 펼치면 제임스웹은 은색 네모 쟁반 위에 금색 벌집을 세워 놓은 모양이 된다.

 

나사는 궤도에 도착한 이후에도 기기 점검, 시험 관측 등 모든 준비를 마치는 데 6개월이 걸린다고 밝혔다. 따라서 제임스웹은 내년 6월 이후에나 정식 관측에 나설 수 있다. ‘뉴욕타임스’는 “천문학자들이 제임스웹 망원경 발사를 희망과 두려움을 가지고 바라보고 있다”고 전했다.

 

적외선으로 관측하는 이유

 

제임스웹이 가시광선보다 파장이 긴 적외선으로 관측하는 이유는 뭘까?

별에서 나오는 빛은 우주팽창과 함께 파장이 길어지면서 가시광선이나 자외선에서 적외선으로 바뀌어간다. 이를 ‘적색편이’라고 한다. 따라서 적외선을 이용하면 허블보다 훨씬 더 멀고 더 차가운 우주 물체를 관측할 수 있다. 우주의 한 지점을 며칠 동안 계속 응시하며, 우주 형성 초기에 만들어진 별에서 날아온 희미한 빛을 감지해낸다. 나사는 제입스웹이 138억년 전 빅뱅이 일어나고 2억년 후 생겨난 최초의 별들을 관측할 수 있을 것으로 기대한다. 허블이 지금까지 관측한 가장 먼 우주는 빅뱅 4억년 후에 탄생한 은하(큰곰자리 GN-z11)였다.

제임스웹은 우주먼지에 가려 가시광선으로는 볼 수 없었던 성운 안쪽의 별 탄생 과정, 우주물질들이 블랙홀에 빨려들어갈 때 발생하는 에너지가 방출하는 빛도 자세히 들여다볼 수 있다. 특히 적외선 분광기는 우주 입자들의 온도, 성분, 밀도, 거리, 운동 등 다양한 물리적, 화학적 특성을 분석할 수 있다. 이를 이용해 태양계 외행성도 더욱 자세히 들여다보고, 먼 우주의 외계 생명체 존재에 대한 확실한 단서도 찾을 수 있을 것으로 천문학자들은 기대한다.

 

영하 266도의 극저온으로 무장

 

제임스웹은 먼 우주의 적외선을 선명하게 포착하기 위해 허블보다 지구에서 훨씬 더 먼 곳에 자리를 잡는다. 허블은 고도 560km 하늘에서 지구를 돌며 우주를 관측하고 있다. 반면 제임스웹은 지구에서 150만km 떨어진 라그랑주 지점(L2)에 둥지를 튼다. 달보다 지구에서 4배나 더 먼 곳이다. 라그랑주 지점은 태양과 지구가 작용하는 중력과 원심력이 균형을 이뤄 안정적인 궤도를 형성할 수 있는 지점을 말한다. 지구와 태양 사이에는 이런 지점이 다섯곳(L1~5)이 있다. 이 가운데 제임스웹은 지구 그림자 위치에 있어 온도가 더욱 낮은 지점(L2)을 택했다. 이렇게 먼 곳에 보내는 것은 태양이나 지구 등 열을 내는 물체에서 멀리 떨어져 있을수록 우주에서 날아온 적외선을 잡아내는 데 유리하기 때문이다.

 

여기에 덧붙여 5겹의 얇은 햇빛 가림막이 주거울 반대편에서 햇빛을 막아주고, 탑재된 냉각기가 장비의 온도를 더욱 낮춰준다.

극저온 상태가 된 관측 장비는 우주 초기에 방출돼 지금은 아주 미세해진 열도 적외선으로 감지할 수 있다. 제임스웹의 4개 관측 장비 중 3개는 영하 233도(절대온도 40도)에서, 나머지 하나(중적외선 관측 장비)는 영하 266도(절대온도 7도) 상태에서 작동한다. 중적외선 장비엔 헬륨 가스가 들어간 극저온 냉각기까지 붙였다.

 

설계 수명 5~10년…고장나면 수리 불가능

 

‘극저온 적외선 망원경’이라는 제임스웹의 개념이 처음 제시된 때는 허블을 발사하기 1년 전인 1989년이다. 나사는 이후 수년간 검토를 거쳐 1996년 프로젝트를 공식 출범시켰다. 애초 2007년 발사가 목표였으나 예산 등의 문제로 개발 일정이 계속 지연됐다. 순수 제작에만 20년이 걸렸다.

 

기간이 장기화하면서 예산도 계속 늘어 애초 예상했던 10억달러의 10배가 넘는 110억달러(13조원)가 투입됐다. 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 제작과 발사에 함께 참여했다. 나사가 97억달러, 유럽우주국이 8억달러, 캐나다우주국이 2억달러를 댔다. 참여 정도에 따라 유럽 천문학자들은 전체 관측 시간의 15%를, 캐나다 천문학자들은 5%를 사용할 수 있다.

 

제임스웹의 설계 수명은 최소 5년이지만, 나사는 10년까지는 무난하게 사용할 수 있을 것으로 예상한다. 제임스웹의 약점은 지구에서 너무 멀어 고장이 나면 수리할 수가 없다는 점이다. 허블은 우주왕복선을 통해 수리와 장비 업그레이드가 가능했다. 제임스웹 발사를 바라보는 세계 천문학자들의 가슴엔 부푼 희망과 일말의 걱정이 뒤섞여 있다.

 

 허블 우주망원경이 가시광선(왼쪽)과 적외선(오른쪽)으로 찍은 용골자리 성운의 모습. 적외선은 먼지 구름을 뚫고 성운 내부를 볼 수 있다. 나사 제공STScI/Goddard

 

‘제임스웹’ 이름을 둘러싼 논란

 

제임스웹이라는 이름은 1960년대에 나사 국장으로 달 착륙선 아폴로 프로그램을 성사시킨 제임스 웹(1906~1992)에서 따왔다. 그러나 이 이름을 둘러싸고 미국 과학계에서 논란이 일고 있다. 그가 1950~1960년대 국무부와 나사에 재직하던 시절 성소수자 해고 등의 차별적 조처에 관여했다는 의혹 때문이다. 과학자 1200여명이 지난 5월 문제를 제기하며 제임스웹 우주망원경의 이름을 바꿔줄 것을 나사에 요구했다. 그러나 나사는 지난 10월 증거 부족을 이유로, 이름을 그대로 유지하기로 결정했다.

 

허블 때도 그랬듯, 나사는 제임스웹 발사를 앞두고 이미 다음 우주망원경을 논의하기 시작했다.

 

국립과학공학의학원 전문가위원회는 지난달 발표한 보고서를 통해, 지구와 같은 외계행성을 찾는 반사경 지름 6미터의 110억달러짜리 ‘자외선-가시광선-적외선 통합’ 우주망원경 제작을 2030년 이전에 시작할 것을 권고했다.

 

한편 국립과천과학관은 제임스웹 우주망원경 발사 실황을 25일 오후 8시40분부터 유튜브 채널(www.youtube.com/user/gnsmscience)을 통해 생중계한다.    곽노필 기자