우주망원경 허블과 제임스웹 특집: 키워드리포트 05
차세대 우주망원경 제임스웹의 화려한 등장
허블망원경의 뒤를 잇는 제임스웹 우주망원경이 35년의 긴 준비 끝에 2021년 12월 성공적으로 발사되었다. 적외선 관측에 특화된 제임스웹은 우주 탄생 초기의 천체를 탐구하며, 우주 관측에 새로운 가능성을 열었다.
허블망원경이 우주 공간을 돌며 천체 관측을 한 지 서른다섯 해가 넘었다. 그동안 허블망원경의 관측으로 많은 이들이 비로소 우주의 아름다움을 접할 수 있었다. 허블망원경은 우주의 신비를 밝히는 데 큰 공헌을 했으며, 이를 통해 더 많은 사람들이 우주에 대한 호기심을 가질 수 있었고, 우주의 신비에 닿고 싶은 인류의 열망도 그만큼 커졌다. 이렇게 20세기 우주망원경 허블이 맹활약을 하는 동안 과학기술은 무서운 속도로 발전을 거듭했다. 우주망원경의 역사도 마찬가지였다. 허블을 잇는 차세대 우주망원경 제임스웹의 등장은 자연스러운 결과요 필연적인 흐름이었다.
차세대 우주망원경 제임스웹, 결코 짧지 않은 여정
2021년 12월 25일, 남아메리카에 있는 프랑스령 기아나 유럽우주센터에서 차세대 우주망원경 제임스웹(이하 제임스웹)이 성공적으로 발사됐다. 연구·개발 비용이 총 100억 달러(약 11조 9000억 원)에 달하는 초대형 프로젝트였다. 제임스웹의 여정은 사람들의 생각보다 길다. 허블망원경의 임무를 총괄하는 우주망원경 연구소 소장이었던 자코니 박사는 허블이 발사(1990년)되기 전인 1987년부터 허블의 뒤를 이을 대형 우주망원경 계획을 구상하기 시작했다. 허블이 발사되기 전이었다는 사실이 새삼 놀랍다.
자코니[1] 박사의 최초 목표는 구경 8m에서 10m급 우주망원경을 발사해 약 80억년 전의 우주를 연구하자는 것이었다. 이렇게 우주망원경의 새 목표는 세워졌으나, 제임스웹 발사까지 계속 난항을 겪었다. 기술력 축적도 어려운 일이지만, 예산 규모가 매우 커서 경제 상황에 많은 영향을 받았고, 이에 따라 프로젝트가 축소되거나 취소될 위기에 처하곤 했다. 본래 발사 예정은 2007년이었는데 기술적인 문제와 코로나 팬데믹 등이 겹쳐 개발이 계속 지연됐다. 이렇게 개발 기간이 늘어나자 예산도 열 배 가량 높아졌다. 당초 10억 달러 정도였는데, 100억 달러가 투입됐다. 이 때문에 과학계에서는 다른 과학 분야에 투자되어야 할 자금을 제임스웹이 블랙홀처럼 빨아들였다는 비판을 듣기도 했다. 대형 적외선 우주망원경이라는 최초의 구상이 현실화되는 데까지 자그마치 35년 여의 세월이 흘렀다.
제임스웹이 초기 구상 단계부터 차세대 우주망원경이라고 불렸던 것은 1990년 발사돼 블랙홀을 비롯해서 지구에서 131억 광년 떨어진 은하의 존재 등을 확인한 허블망원경의 뒤를 잇고 있기 때문이다. 하지만 허블과 제임스웹은 큰 차이가 있다. 허블이 가시광선과 자외선, 일부 근적외선을 관측하도록 설계된 반면에 제임스웹은 적외선 관측에 특화된 우주망원경이다.
이 차이가 의미하는 바는 크다. 허블이 가시광선과 자외선 관측으로 우리은하와 가까운 천체를 관찰할 수 있지만, 우주 형성 초기에 일어났던 현상이나 먼 은하를 탐구하는 데 한계가 있었다. 빅뱅 이후 첫 별과 은하가 형성된 시기처럼 극도로 먼 과거를 관측하려면 적외선 영역의 관측이 필수적이다. 이를 위해서는 대형 적외선 우주망원경이 필요했다.
특히 허블망원경이 발사 첫해 겪었던 광학 결함 문제로 인해 망원경을 더 정밀하게 설계할 필요성이 커졌고, 이는 차세대 우주망원경인 제임스웹을 개발하는 과정에 중요한 교훈이 되었다. 1996년, 초기 은하 탄생 순간까지 우주를 거슬러 올라갈 수 있는 대형 적외선 망원경 구상 보고서가 발표되었다. 이후 나사, 유럽우주국, 캐나다우주국이 허블의 한계를 극복하고 초기 우주를 관찰하기 위한 우주망원경 제작을 위해 힘을 합쳤다. 제임스웹은 적외선 관측에 특화된 우주망원경으로, 주요 임무는 우주 형성 초기에 일어났던 현상을 관찰하는 것이다. 적외선을 포착하면 우주의 먼지 뒤에 숨은 별까지 뚜렷하게 볼 수 있고, 장거리에서 날아오는 희미한 빛까지 감지할 수 있다. 마침내 발사된 제임스웹은 천체 관측의 새로운 가능성을 열었다.
한편 제임스웹은 개발과 제작도 쉽지 않았지만 우주로 보낼 때도 수많은 우여곡절을 겪어야 했다. 무엇보다 망원경의 크기가 거의 테니스장 수준(가로 약 21m, 세로 14m 정도)인데 이를 직경 6m도 안 되는 발사체 적재함에 싣기가 매우 어려웠다. 나사는 망원경을 적재함에 차곡차곡 접어 넣어 쏘아 올리는 방식을 택했다. 다행히 제임스웹 망원경 발사는 성공했다. 가장 어려운 단계로 예상됐던 태양열 차단막부터 ‘골든아이’로 불리는 주거울까지 완전히 펼쳐 고정하는 데 성공했다. 발사된 지 약 2주 만에 모든 망원경 전개 과정을 성공적으로 마친 제임스웹은, 2022년 1월 말 지구에서 약 150만㎞ 떨어진 임무 수행 장소인 ‘라그랑주2(L2)’ 지점에 도착해 태양 궤도를 돌고 있다.
라그랑주점
우주 공간에서 작은 천체가 두 개의 큰 천체의 중력에 의해 그 위치를 지킬 수 있는 다섯 개의 위치. 예를 들어 인공위성이 지구와 달에 대해 정지해 있을 수 있는 점들이다. 총 다섯 개의 라그랑주 점이 있는데 각각 L1, L2, L3, L4, L5로 불린다.
‘제임스웹’이란 이름은 어디에서 왔을까?
1960년대 나사(NASA, 미국항공우주국) 국장을 역임한 실존 인물 제임스 웹(James Edwin Webb, 1906~1922)의 이름을 땄다. 그는 달 착륙선 아폴로 프로젝트를 성공적으로 성사시켰고, 나사의 주요 임무를 달 탐사를 넘어 과학 연구 일반으로 넓혔다는 점에서 좋은 평가를 받는다.
우주망원경 허블과 제임스웹, 우주로 쏘아올린 인류의 호기심
특집 맛보기 ❶ 우주망원경의 역사 ‘망원경을 우주로!’
특집 맛보기 ❷ 허블망원경의 구조와 장비: 허블망원경, 어떻게 생겼을까
키워드리포트
01 망원경의 발명, 현대 천문학의 출발점 | 02 지상 천체망원경의 한계, 망원경을 우주로 쏘아올릴 생각
03 천문학자 허블의 업적을 기린, 허블 우주망원경 | 04 ‘서른다섯 살’ 허블망원경, 첫 시련과 한계, 그리고 수명
05 차세대 우주망원경, 제임스웹의 화려한 등장| 06 제임스웹 우주망원경의 활약, ‘우주를 향한 인류의 질문은 멈출 수 없다’
특집 플러스 허블망원경의 주요 업적
