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우리 탐사에 함께할 새로운 멤버, 제임스 웹 우주망원경을 소개할게. 허블 우주망원경의 뒤를 이어 우주를 관측할 차세대 우주망원경이야.

미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 개발한 제임스 웹 우주망원경은 오는 12월 18일(현지시간) 남아메리카 기아나의 고다드 우주비행센터에서 발사를 앞두고 있어요. 이번에 성공적으로 발사된다면, 1996년 설계를 시작한 이후 약 25년 만에 우주로 가는 셈이에요.

지난 5월 NASA는 제임스 웹 우주망원경이 작동을 시작하면 1년 동안 수행할 관측 임무 286개를 정해 발표했어요. 이중 가장 핵심 임무는 약 138억 년 전 우주 탄생의 비밀을 밝히는 거예요. 이를 위해 제임스 웹 우주망원경의 성능을 허블 우주망원경보다 100배 정도 높였어요. 정웅섭 한국천문연구원 우주과학본부 책임연구원은 “제임스 웹 우주망원경이 성공적으로 작동한다면 드넓은 우주를 이해하려는 인류의 노력에 한 발짝 나아가는 걸음이 될 것”이라며, “앞으로 더 크고 성능이 더 뛰어난 우주망원경을 개발하는 데 기반이 될 것으로 기대한다”고 말했어요.

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제임스 웹 우주망원경의 대표 임무

초기 우주 빛 관측

우주 초기를 이해하려면 ‘재이온화 시기’의 빛을 관측해야 해요. 재이온화 시기는 빅뱅이 일어난 뒤 약 40만 년~10억 년 이후로, 이때 최초로 별과 은하가 생성됐다고 추측하고 있어요. 하지만 이 시기의 직접적인 관측은 매우 적어요. 이를 관측하기 위해선 적외선 파장대역을 사용하는 게 효과적인데, 제임스 웹 우주망원경은 중적외선 ~ 근적외선 파장 모두 잘 관측할 수 있대요. 앞으로 초기 우주에 대한 자세한 관측이 이뤄질 예정이랍니다.

외계 행성 관측

그동안 지상 및 우주망원경을 통해 새로운 외계 행성들이 많이 발견됐어요. 하지만 이러한 외계 행성이 어떤 대기 성분으로 이뤄져 있는지, 실제 생명이 살 수 있는 환경인지에 대해서는 아직 명확히 밝혀내지 못했어요. 행성계에 있는 밝은 별빛으로 인해 행성을 제대로 관측할 수 없었거든요. 제임스 웹 우주망원경은 ‘코로나 그래프’라는 관측 방식으로 주변의 밝은 별빛을 가린 채 외계 행성의 대기나 표면을 정밀하게 관측할 계획이에요. 이를 통해 지구와 비슷한 행성에서 생명체 신호를 직접 발견할 수 있을 것이라 기대하고 있답니다.

특징1. 정육각 거울을 벌집 구조로!

제임스 웹 우주망원경의 가장 큰 특징은 거울이야. 주 거울이 정육각형 모양인 데다, 이들을 벌집 구조로 모아 거대한 정육각형을 이루게 만들었어. 왜 이렇게 설계했을까?

지름은 2.5배, 성능은 100배 UP!

우주망원경의 성능을 높이는 핵심은 ‘거울’이에요. 거울은 우주망원경에서 빛이 들어오는 ‘창’ 역할을 해요. 빛을 모으는 능력인 ‘집광력’을 키우기 위해선 거울을 크게 만드는 게 유리합니다. 제임스 웹 우주망원경의 주 거울이 허블 우주망원경에 비해 약 2.5배 더 크게 만들어진 이유이지요. 동시에 망원경의 성능은 100배 높아졌어요. 집광력은 주 거울 면적의 제곱에 비례해 커지거든요. 지름이 2.5배 길어지면서 주 거울의 전체 면적이 6배 가까이 넓어졌고, 이로 인해 집광력을 포함한 성능이 100배 더 좋아진 거랍니다. 덕분에 허블 우주망원경이 빅뱅 이후 10억 광년 뒤의 빛을 추적했다면, 제임스 웹 우주망원경은 적외선으로 보다 먼 데서 오는 희미한 빛을 포착한답니다.

최소한의 재료로 가장 넓은 면적 만들다

제임스 웹 우주망원경의 또다른 특징은 정육각형 모양의 거울 18개를 벌집처럼 이어 붙인 거예요. 정웅섭 책임연구원은 “우주망원경의 성능을 높이기 위해선 거울을 가능한 크게 만드는 게 유리하지만, 우주로 보내거나 우주 환경에 견디기에는 불리해 지상망원경처럼 크게 만들 수 없다”며, “이를 극복하기 위해 조각 거울 여러 개가 하나의 거울처럼 작동하도록 이어 붙인 것”이라고 설명했어요.

또한 이 구조는 가장 경제적인 구조이기도 해요. 정다각형 중 정육각형이 정삼각형이나 정사각형에 비해 같은 재료로 가장 넓은 면적을 만들 수 있거든요. 조용승 이화여자대학교 수학과 명예교수는 “정육각형 거울을 이어 붙이면 동그란 거울과 달리 거울 사이의 틈이 생기지 않아 넓은 면적을 사용할 수 있다”고 설명했어요. 덧붙여 “거울면끼리 서로 맞닿아 있어 외부에서 생기는 충격에도 균형을 잡기가 유리하기 때문에 훨씬 안정적인 구조다”라고 말했어요.

특징2. 라그랑주 점에 자리 잡다!

제임스 웹 우주망원경의 또 다른 특징은 주차 장소야. 지구 저궤도에 머물렀던 허블 우주망원경과 달리, 조금 더 먼 라그랑주 점에 자리잡을 예정이거든. 라그랑주 점은 어떤 곳일까?

우주에서 우주망원경이 자리잡을 터를 고르는 것은 매우 어려운 일이에요. 우주 공간에는 눈에 보이지 않지만 여러 힘이 작용하고 있거든요. 대표적인 힘은 ‘중력’이에요. 중력은 질량이 있는 물체가 다른 물체를 끌어당기는 힘을 말해요. 지구가 중심 방향으로 인간을 끌어당기고 있듯, 태양과 지구, 달 등 천체들도 서로를 끌어당기고 있지요.

반대로 멀어지려는 힘도 있어요. 달은 지구 주변을, 지구와 여러 행성은 태양을 중심으로 도는 원운동을 하고 있거든요. 이때 원의 바깥으로 나아가려는 원심력이 작용해요. 이런 탓에 우주망원경이 우주의 한 지점에 오래 머물기 위해서는 연료를 많이 쓰거나, 더 많은 장치가 필요해요.

과학자들은 우주망원경이 우주에 머무르는 최적의 장소로 라그랑주 점을 꼽아요. 라그랑주 점은 18세기 프랑스의 수학자 조제프루이 라그랑주가 발견했어요. 라그랑주는 당시 지구나 달 같은 천체들이 서로에게 발휘하는 힘이, 이들의 궤도에 어떤 영향을 미치는지 연구하고 있었어요. 그러던 중 중력과 원심력이 서로 균형을 이루는 지점 다섯 개를 찾았습니다. 즉, 드넓은 우주에서 ‘무중력’에  가까운 공간인 셈이죠. 연료를 쓰지 않고도 한 자리에 정지할 수 있어서 우주망원경은 물론 우주탐사선이 더 먼 여행을 위해 잠시 쉬었다 가서, ‘우주의 휴게소’라는 별명을 갖고 있어요.