제임스 웹 망원경

   제임스 웹 우주 망원경은 NASA, ESA, 캐나다 우주국이 개발한 허블 우주 망원경과 스피처 우주 망원경의 후속 우주 망원경으로, 가시광선 및 적외선 관측이 가능한 우주 망원경이다. 초기 명칭으로는 “차세대 우주 망원경”으로 논의되었으나, 2002년 NASA 제 2대 국장인 제임스 에드윈 웹의 이름을 따서 현재 이름으로 명명되었다. 제임스 웹 우주 망원경은 2021년 12월 25일 프랑스령 기아나 우주센터에서 성공적으로 발사되어 2021년 1월 26일 기준 계획대로 최종 목적지인 L2 라그랑주점에 안착하였다. 제임스 웹 우주 망원경이 자리잡은 L2지점은 태양-지구에서 항상 지구의 그늘상에 존재하기 때문에, 우주 관찰을 목적으로 하는 우주 망원경을 설치하기에 적합한 위치이다. 다만 기하학적으로 완벽한 L2는 지구 그림자에 의해 태양이 가려지기 때문에, 위성이나 타 우주 망원경에서 사용되는 태양 전지판을 구동시킬 수 없다. 따라서 L2에서 어느정도 떨어진 곳에 위치해야 하며, 궤도를 안정화시키기 위해서 꾸준히 연료를 소모하여야 한다. 목표지점에 도착한 이후에도 연료소모가 지속되기 때문에 제임스 웹 우주 망원경의 수명은 20년으로 예상되고 있다.

<그림 1> 제임스 웹 우주 망원경 렌더링 예상도

https://www.jwst.nasa.gov/content/multimedia/images.html

   그러나 개발 및 발사단계까지 수억 달러 단위의 예산이 투입되면서 미국 정부의 과학연구 프로젝트로서 가장 큰 프로젝트로 역사에 남았다. 20년 전 초기 계획단계에서는 5-10억 달러의 예산으로 시작된 프로젝트였으나, 허블 우주 망원경의 대성공으로 고무되어 높은 목표로 개발에 착수되는 과정에서 비용과 기간이 크게 늘어나게 되었다. 발사 일정이 결정된 2021년까지 총 100억 달러에 근접하는 예산이 소요되어 여러 천체 과학자들의 불만을 사기도 하였다.

   제임스 웹 우주 망원경은 기존 지상 망원경이나 우주 망원경이 관측할 수 없었던 우주 먼지에 가려진 심우주 천체들을 관측하는 것을 목표로 한다. 제임스 웹 우주 망원경은 크게 4개의 핵심 목표를 가지고 있다. 최초의 별과 은하 관측, 은하의 형성과 진화 연구, 별과 행성계의 형성 연구, 행성계와 생명의 기원에 대한 연구이다. 현재의 우주 망원경이 관측할 수 없는 z=10(적색편이) 이상의 천체의 관측과 빅뱅 직후 약 3억 년 후인 135억 년 전의 1세대 은하를 관측하는 것이다. 전문가들은 ‘은하의 형성과 진화를 이해하고 은하의 분포를 파악함으로써 암흑물질과 암흑에너지의 실체에도 한 걸음 다가설 수 있을 것’이라고 전망하고 있다. 또한 행성 대기 성분에 대한 분석으로 외계생명체 탐사를 할 계획도 갖추고 있다.

<그림 2> 제임스 웹 우주 망원경의 주 반사경 크기 비교

https://webb.nasa.gov/content/observatory/ote/mirrors/index.html

   제임스 웹 우주 망원경은 가시광선과 근적외선을 관측하던 기존 허블 망원경과 달리 가시광선보다 긴 파장의 적외선을 관측한다. 적외선 관측을 위해 지름 6.5 m의 반사경이 장착되었으며, 주 반사경은 총 18개의 육각형 조각으로 분할되었다. 이 반사경 조각들은 발사 전에 접힌 상태로 탑재되어 발사 후 우주에서 펼쳐지도록 설계되었다. 주경은 금으로 코팅된 베릴륨 반사경으로 25 m²의 집광 면적을 가지고 있으며 3차 반사경까지 쓰는 코르슈(Korsch) 방식으로 허블 우주 망원경에 비해 시야가 월등히 넓다. 넓어진 시야로 인해 한정된 시간에 큰 영역을 관측할 수 있어서 효율적이며, 중력이나 태양풍 등의 영향으로 틀어진 초점을 보정하기 위해 마이크로 모터 기반 능동광학장치가 사용된다.

<그림 3> 주 반사경 (좌) 펼친 후, (우) 펼치기 전

https://www.scientificamerican.com/article/nasas-james-webb-space-telescope-will-face-29-days-on-the-edge/

   ISIM (Integrated Science Instrument Module)은 제임스 웹 우주 망원경에 탑재되는 4기의 중요장비에 전력과 컴퓨팅 리소스, 냉각 및 구조적 안정성을 제공하는 뼈대의 역할을 하며 그래파이트-에폭시 소재를 이용하여 제작되었다. 4기의 광학장비(NIRCam, NIRSpec, MIRI, FGS/NIRISS) 중에서 NIRCam (Near InfraRed Camera)는 근적외선 파장을 탐지하며 지상 천문 관측대의 파면측정장치 역할을 맡는다. NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph)는 해당 근적외선 범위의 파장을 3x3 각분 면적에서 검출하며, 프리즘을 사용하여 최대 100개의 물체에 대한 저분해능 모두, R~1000 다중 객체 모드, R~2700 일체형 필드 장치 또는 독립 고대비 스펙트럼 분석 모드 등 세 가지 관측 모드를 제공하도록 설계되었다. MIRI (Mid-InfraRed Instrument)는 중적외선 파장 범위를 측정하는데 사용되는 광학 장비이다. FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph)는 정밀 유도 센서와 근접 적외선 이미저 및 분광기가 결함된 형태로, 근적외선 파장을 검출하는 역할을 한다.

<그림 4> ISIM의 구성도

https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_Science_Instrument_Module

   이 정도로 높은 성능의 적외선 우주 망원경은 역사에서 이례적이기 때문에 천문학자들은 4개의 핵심 목표 이외에도 이전에 얻지 못했던 새로운 관측 결과들을 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다. 천문학의 역사가 보여주듯이, 우주 망원경을 통해 새로운 발견을 이룬 많은 사례들이 존재한다. 제임스 웹 우주 망원경이 첫 번째로 관측할 천체는 내부 상태와 진화과정이 아직 명확히 밝혀지지 않은 대마젤란은하가 될 가능성이 크다. 초기 정렬 후 작동의 정상유무를 확인하기 위해서는 밝기가 균일한 천체를 관측하는 것이 유리하기 때문이다. 대마젤란은하는 지구에서 17만광년 떨어져 있는 은하 중 하나로, 별의 탄생이 지속적으로 이루어지고 있다. 제임스 웹 우주 망원경이 앞으로 남은 임무를 수행하면서 별의 탄생이나 우주 생성에 관한 단서를 제공하면 허블 우주 망원경을 잇는 역사에 길이 남을 우주 망원경이 될 것으로 기대된다.

원문         이규진[pos2323@kaist.ac.kr]

편집         이규진[pos2323@kaist.ac.kr]