지난 22일 인간의 우주 관측에 역사적인 이벤트가 벌어졌습니다. 바로 제임스 웹 우주 망원경이 발사된 것입니다.
이번 시간에는 이 망원경의 성능이 어느정도인지 허블망원경과 한번 비교해 보고 망원경의 수명과 공전 위치에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다
제 입스 웹 우주 망원경
제임스 웹 우주 망원경은 NASA, ESA, 캐나다 우주국(Canadian Space Agency; CSA)이 개발 중인 허블 우주 망원경의 후계 우주 망원경으로, 가시광선 및 적외선 영역의 관측을 수행을 목적으로 발사되었습니다.
기존 지상 망원경이나 우주 망원경이 관측할 수 없었던 아주 먼 거리에 위치한 심우주 천체들을 관측하는 것이 주 목표이며, 이를 위해 적외선 관측 능력이 매우 뛰어나도록 설계되었습니다.
제작에는 노스롭 그루먼이 주도적으로 참여하고 있습니다. 원래는 "차세대 우주 망원경(NGST; Next Generation Space Telescope)"이라 불렸으나, 2002년 NASA 제2대 국장인 제임스 에드윈 웹의 이름을 따서 현재 이름이 되었다고 합니다.
허블 우주 망원경이 1990년에 가동하기 시작 한 이후 생각 보다 너무나 좋은 성과를 올리면서 해당 프로젝트가 논의되기 시작하였습니다.
그리하여 허블 망원경이 볼 수 없는 더욱 깊은 우주를 볼 수 있는 망원경을 만들자는 일념하에 개발 프로젝트가 시작되었고, 2002년에 과거 아폴로 계획을 헌신적으로 지원했던 제임스 에드윈 웹 NASA 제2대 국장의 이름을 따 '제임스 웹 우주망원경(JWST)'으로 프로젝트명을 결정, 프로젝트가 본격화되었습니다.
VS 허블 우주 망원경
허블 우주 망원경은 직경 2.4m의 단일 반사경을 사용하지만, 제임스 웹 망원경은 그보다 집광 면적이 7.3배 더 넓은 직경 6.5미터의 반사경을 씁니다.
문제는 이렇게 큰 망원경을 우주로 보내는 방법이 쉽지 않다는 것이었습니다. 때문에 18개의 1.3m짜리 작은 정육각형 반사경으로 나눠서 발사한 후에 펼쳐서 큰 반사경으로 쓰는 식으로 개발되었습니다.
반사경의 재질도 유리가 아니라 가볍고 강하고 열변형이 적고 적외선 반사능력이 뛰어난 베릴륨을 소재로 금을 코팅한 거울을 습니다.
때문에 반사경은 훨씬 커졌지만 망원경 전체의 무게는 6.5t으로 허블의 절반밖에 안된다고 합니다.
광학적으로도 허블은 반사경이 두 개인(주 반사경+2차 반사경) 리치-크레티앵(Ritchey–Chrétien) 방식을 쓰는데, JWST은 3차 반사경까지 쓰는 코르슈(Korsch) 방식이라 허블 망원경보다 시야가 월등히 넓으며 모든 광학적 수차를 없앴다고 합니다.
이렇게 시야가 넓으니 한정된 시간에 넓은 영역을 관측할 수 있어서 훨씬 효율적이며 더 많은 양의 우주 관측을 진행 할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.
허블 우주 망원경의 주된 관측 영역은 가시광선과 근적외선 정도였습니다. 그래서 허블의 후계자인 제임스 웹 망원경은 주로 적외선을 관측하게 설계되었습니다. 적외선으로 관측하면 우주에서는 더 먼 곳을 더 정확하게 관측할 수 있기 때문입니다.
제임스 웹 망원경의 2가지 특이점
1) 차양막 디자인
적외선 영역은 상온 수준의 낮은 온도의 물체도 쉽게 발산한다는 특징이 있습니다. 즉, 망원경이 열을 받으면 망원경 자체적으로 열을 내뿜기 때문에 렌즈에 아무런 상도 관측되지 않는 경우가 발생하는 것이 문제였습니다.
그러므로 망원경의 온도를 항상 절대온도 40K(섭씨 -233도) 정도로 크게 낮춰야 하는 것이 핵심이라고 합니다.
이를 위해 제임스 웹 망원경의 아래쪽에 마치 천막처럼 보이는 5겹의 차양을 설치하는 디자인으로 설계 된 것입니다.
이 차양막으로 태양으로부터 오는 직사광선과 지구로부터 오는 복사열선을 차단하고, 관측 시에는 차양 쪽을 태양과 지구를 향하게 하고 관측한다고 합니다.
이렇게 하단의 고정된 차양 장치로 태양빛과 지구빛을 동시에 차단해야 하므로 태양과 지구의 상대 위치가 계속 변하는 지구중심 궤도는 부적합하고 태양과 지구가 언제나 같은 방향에서 보이는 궤도에 있어야 합니다.
2) 제입스 웹 망원경의 위치
제임스 웹 망원경은 태양의 공전 궤도를 돌계 설계되었습니다. JWST의 궤도 반지름은 지구가 태양을 공전하는 궤도를 반지름만 1%가량 확장한 수준의 위치입니다.
이는 지구-태양의 L2 라그랑주 점 근처입니다. L2 지점과 지구와의 거리는 약 150만 km로, 달까지의 거리의 3.9배 정도이고 지구 반지름의 235배, 허블 우주 망원경 고도의 2680배 높은 곳에 위치하고 있습니다.
이는 지구에서 나오는 적외선의 영향을 최소화하기 위해서 선택된 지점이라고 합니다.
이러한 먼 위치로 인해서 기존 허블이 지구에 가려서 관측할 수 없는 시간대까지 무시하고 상시 관측을 진행할 수 있는 능력을 얻게 되었습니다.
L2 궤도를 유지하기 위해 지구 궤도에 올라가 있는 우주정거장들 같이 별도의 궤도 유지 추진체가 있으며, 추진체는 10년간 충분히 사용할 수 있는 용량의 분사 능력을 가지고 있습니다.
그 연료가 다하면 망원경의 사용 수명이 끝날 것으로 예상되고 있습니다. 때문에 임무 기간 설계 수명은 5년이고, 목표 수명은 10년 정도로 잡고 있다고 합니다.
문제는 한가지가 더 있는데 너무나도 멀리 떨어져 있기 때문에 문제가 생기면 수리가 힘들다는 것입니다. 허블의 경우 문제가 발생하면 우주왕복선을 띄워서 수리를 할 수 있었지만, 제임스 웹은 너무 멀어서 불가능한 수준입니다.
제 입스 웹 망원경이 정확한 궤도에 안착하여 5년, 10년 간 우리에게 얼마나 많은 미지의 우주 정보를 전달해 주게 될까요?
제대로 작동을 시작하기만 한다면 분명 우주 관측 역사가 새롭게 써질 만한 혁신적인 발견이 엄청나게 일어나게 될 것입니다.
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