차세대 우주 망원경 제임스웹이 꼭 성공해야 하는 이유

2021년 12월 25일 크리스마스날 허블 우주망원경의 후발주자 차세대 우주망원경 제임스 웹이 프랑스에서 발사되었다. 제임스웹 우주 망원경은 NASA, ESA, 캐나다 우주국이 개발한 허블 우주 망원경과 스피처 우주 망원경의 후발주자로 근적외선 및 적외선 영역을 관측한다. 

이 제임스웹 우주 망원경이 탄생하기까지는 굉장히 오랜 시간과 굉장히 많은 돈이 들었다. 개발에서부터 발사까지 25년이란 시간이 걸렸고, 무려 11조 원이란 돈을 썼다. 제임스웹은 인류 역사에서 그 어떤 망원경도 관측할 수 없었던 진짜 멀리 있는 심우주의 천체, 은하들을 관측하고 인간이 지금까지 본적 없던 우주의 모습을 관측하는 게 주 목표이다. 

 

사진출처-미 항공우주국 허블 망원경이 찍은 말머리 성운

 

그럼 왜 제임스웹이 이 많은 돈과 시간을 들였을까? 이것을 알기 위해서 우리는 먼저 허블 우주 망원경의 업적부터 알아봐야한다.

허블 우주 망원경은 자그마치 30년 전에 발사되어 우주의 미스테리를 정말 많이 풀어냈다. 이론으로만 존재했던 블랙홀이 실제로 존재 한다는 아주 강력한 정황을 찾아냈고 우주의 나이가 137억년이라는것을 밝히기도 했다. 또 허블 딥 필드도 아주 대표적인 업적이다. 아무것도 없는 검은 하늘을 대략 열흘 동안 촬영했는데 적어도 2000개 이상의 은하를 발견했다. 이 하나의 은하에는 또 천억개에서 이천억개의 별이 들어있다. 그리고 이 우주에는 몇천억개의 은하가 있을것으로 예상을 하기도 했다. 허블 우주 망원경이 아니었으면 이 우주가 얼마나 넓은지 아마도 알지 못했을 것이다. 이 덕분에 우주의 규모가 얼마나 큰지 깨달을 수 있었다. 우주가 암흑에너지로 꽉 차있다는것도 밝혀냈고 우주의 팽창속도가 점점 증가하고있다는것도 알게됐다. 이 외에 너무나도 많은 업적들이 있지만 그것을 글로 표현하자면 오늘안에 하기 힘든 일이기 때문에 허블 우주 망원경의 업적은 여기까지만 알아보도록 하자. 이렇게 어마어마한 업적들이 무려 30년전에 발사된 망원경이 이뤄낸 업적들이다. 이 허블 우주 망원경이 있었기 때문에 인류가 우주에 눈을 뜨게 된 것이다. 그런데 이제 허블 우주 망원경의 수명이 다할때 된것이다. 그래서 허블보다 더 크고 더 가볍고 더 싸게 만들어서 훨씬 더 많은 업적을 세우자 라는 일념으로 제임스웹을 개발하여 작년 크리스마스때 발사가 된것이다. 

 

제임스 웹 우주 망원경의 스케일

허블의 자리를 대체할 제임스 웹의 반사경은 벌집 조각 18개를 모아서 직경이 6.5m나 된다 허블의 직경 2.4m짜리 단일 반사경에 비하면 꽤 커진 규모임을 알 수 있다. 게다가 제임스 웹의 집광 면적은 허블 망원경의 7배나 된다. 그러면서도 무게는 허블의 60% 밖에 되지 않는다. 허블이 11톤이라고 하면 제임스 웹은 6.5톤이다. 또 제임스 웹은 허블보다 크고 가벼울 뿐만 아니라 애초부터 관측하는 범위가 다르다. 제임스 웹은 주로 적외선 영역을 관측할 목적으로 설계되었는데 이 적외선 영역은 허블이 지금까지 제대로 관측하지 못했던 영역이다. 이 적외선 영역을 관측하려다 보니까 재질 자체도 허블이랑은 다르다. 제임스 웹의 반사경 재질은 '베릴륨'으로 만들어졌다. 이는 알루미늄보다 가볍고, 강철보다 강하면서 열변형이 적고 적외선 반사능력이 아주 좋다고 한다. 여기다가 금을 코팅했는데 이는 또 적외선을 더 잘 반사하기 위함이다. 

 

제임스웹의 규모 사진 출처- 미국항공우주국

 

제임스 웹은 왜 적외선을 관측한다는 것일까?

이유는 아주아주 멀리 있는 별이나 은하를 관측하기 위해서이다. 우리 우주는 빅뱅 이후로 어마어마한 속도로 팽창하고 있다. 그리고 별이 멀면 멀수록 더 빠른 속도로 멀어지고 있다. 그렇기 때문에 아주 먼 곳에서 지구까지 도달하는 별빛은 *도플러 효과로 *적색편이 현상을 보여서 빛의 파장 속도도 늘어나게 된다. 이렇게 늘어난 빛의 파장을 관측하려면 적외선 영역을 관측해야 한다. 적외선 영역이 아주 먼 거리의 별을 관찰할 수 있는 것이다. 이렇게 멀리 떨어진, 그리고 적색편이 현상을 보이는 별들과 은하들은 아주 오래된 태초의 별과 은하일 확률이 높다. 적외선 영역으로 별과 은하를 관측한다면 태초의 별과 은하일 것이다. 이것을 잘 만 관측한다면 은하의 형성이나 별의 진화 과정들을 제대로 연구할 수 있게 된다. 또 태어난 지 오래된 행성들은 온도가 낮기 때문에 적외선을 주로 방출한다. 이런 행성들을 찾아내려면 역시나 적외선 영역을 관측해야만 한다. 이렇게 적외선 영역을 관측한다는 것 자체가 장점이 많기 때문에 그동안 우리 인류가 보지 못했던 것까지 볼 수 있을 거라는 가능성이 크다. 

 

 

적외선 관측은 쉬운 일일까?

결론부터 말하자면 절대 쉽지는 않다. 적외선 영역을 관측하려고 할시 지구와 자체의 적외선 때문에 교란되어 보이는 것이 없을 것이다. 일단 제임스 웹 우주 망원경을 우주로 보낸 다음 영하 233도까지 냉각을 시킨다. 이때 태양빛과 지구의 빛도 동시에 차단해야 한다. 그러기 위해서는 제임스 웹 우주 망원경을 *라그랑주점으로 보내야 한다. 라그랑주점은 지구의 중력과 태양의 중력이 상쇄돼서 사실상 중력이 0이 되는 지점이다. 이 지점을 처음 발견한 수학자 조제프 루이 라그랑주의 이름을 따서 라그랑주점이라고 칭하게 되었다. 이 지점은 총 5군데가 있는데 그중에서 지구에서 150만 km 떨어진  지구 태양 L2라그랑주점이라면 지구의 공전 주기와 동일하게 태양을 돌면서 태양빛의 간섭 없이 심우주를 관측할 수가 있다. 또 지구에서 나오는 적외선의 영향을 최소화할 수 있다. 제임스웹 망원경의 아랫쪽에 다섯겹의 차양을 설치하고 태양의 직사광선, 지구의 복사열선도 차단하고 우주를 관측하게 되는것이다. 라그랑 주점은 중력의 영향의 거의 없기 때문에 빛의 왜곡도 없다. 그리고 망원경이 안정된 궤도에 있기 때문에 연료 소모도 거의 없다. 하지만 L2지점이 100% 안전하지 않다는 점은 우려스럽다. 태양풍이나 중력의 영향으로 아주 조금씩 망원경이 이 위치를 벗어나게 되기 때문이다. 그래서 이 위치를 벗어나지 않기 위해서 별도의 추진체가 마련되어 있는데 수명이 10년 정도이기 때문에 그 기간이 지나고 나면 망원경의 수명은 다하게 된다. 

 

차양이 설치된 제임스웹 사진 출처-미항공우주국

 

제임스웹이 절대 실패하면 안 되는 이유

이렇게 좋은 우주망원경도 치명적인 단점이 있다. 제임스 웹 우주 망원경은 아주 멀리 설치해야 하기 때문에 한번 발사한 다음에는 수리나 업그레이드가 어렵다. 수리나 업그레이드에 비용이 너무 많이 들어가기 때문이다. 이것을 수리를 하자니 차라리 제임스웹 망원경 새거를 하나 쏘는게 나을정도라고 하니 말다했다. 최소 11조 이상 비용이 발생한다. 그래서 이 제임스웹 프로젝트는 절대로 실패하면 안된다.허블 망원경 같은경우에는 비교적 가까운곳에 위치하고 있어 수리가 가능했고, 실제로 수리를 해서 원래의 수명보다 15년을 더 사용했다. 제임스웹의 수명은 10년정도 예상을 하고있고 그 이유는 그정도가 되면 연료가 소진되기 때문이다. 그렇다고 하면 허블망원경에 비해 가성비는 떨어지는 편인데 그래도 기대할 만한 대안이 있기는 하다. 바로 스페이스X의 완전 재사용 가능한 우주선 '스타쉽' 개발이 완료 된다면 제임스웹의 수리나 정비가 가능해질 수도있다. 이것은 아직 믿거나 말거나 이지만 만약에 이일이 가능하다고 한다면 수명도 늘리고 업그레이드도 꾸준히 하면서 가성비를 조금 올릴수는 있겠다. 

 

 

가성비 떨어지는 제임스웹 그래도 써야 하는 이유

제임스 웹 핵심 관계자들은 이렇게 말한다. 다른 망원경들이 아무리 싸고 효율적이어도 적외선 영역에서는 장님이나 마찬가지이고 이 정도로 높은 성능의 적외선 망원경은 사상 처음이기 때문에 이것으로 최초의 별과 은하, 행성도 관측하고 외계 지적 생명체까지 찾을 수 있다면 11조는 아깝지 않다고 한다. 

 

 

제임스 웹을 연구하기 위한 과학자들이 수백수천에, 또 여기 들어간 연구랑 논문도 몇 천 페이지가 넘을 것이다. 들어간 비용이 11조에 시간이 30년이 걸리는 이 어마어마한 프로젝트는 무조건 성공해야 한다. 발사는 성공적으로 마쳤고, 1개월 뒤 라그랑주 점에 도착한 후 자체적인 점검을 거쳐 6개월 뒤부터 본격적으로 우주 망원경으로써의 일을 시작하게 된다. 과연 차세대 우주 망원경의 성적은 어떠할지 기대가 된다. 우주 여러 곳을 관측해서 앞으로 우주에 대한 신비도 풀고 뛰어난 성과를 내주기를 바란다.