제임스 웹 우주 망원경 개발 배경, 특징 및 핵심 목표

2021년 우주로 발사된 현존하는 최강의 우주 망원경 제임스 웹 우주망원경 (James Webb Space Telescope, JWST)의 개발 배경과 발사 과정 및 주요 임무에 대해서 알아보고자 합니다. 

 

제임스 웹 우주 망원경의 개발 배경

제임스 웹 우주 망원경은 NASA, ESA, 캐나다 우주국이 개발한 허블 우주 망원경과 스피처 우주 망원경의 뒤를 잇는 것으로 주황색의 가시광선에서부터 근적외선 및 적외선 영역의 관측을 수행하고 있습니다.  우주 망원경은 지구 대기권 바깥 우주 공간에 쏘아 올려져 천문학 관측을 수행하는데, 이는 천체로부터 오는 빛 중 가시광선과 전파 영역을 제외한 다른 파장의 빛이 모두 대기에서 차단 또는 흡수되어 관측할 수 없거나 원래보다 상이 커지고 덜 선명한 단점을 극복하는데 효과적인 과학 기기입니다.  제임스 웹 우주 망원경은 적외선 천문 관측을 주목 적으로 하는 우주 망원경이며 현존하는 광학 우주 망원경 중 규모가 가장 크고 뛰어난 적외선 분해능과 감도로 허블 우주 망원경조차 관측하기 어려운 먼 거리의 천체와 적외선촬영의 기술로 어두운 천체들을 관측할 수 있습니다. 허블 우주 망원경이 1990년에 가동하기 시작할 때부터 NASA에서는 후계 망원경에 대한 논의가 시작되었습니다. 세계적인 관심이 우주 쪽으로 쏠린 것과 함께 1996년 허블 망원경의 수명이 다할 것으로 예상되는 시기에 발사 할 거대 우주 망원경 개발을 계획하게 됩니다. 그 결과 허블 망원경이 볼 수 없는 더욱 깊은 우주를 볼 수 있는 망원경은 만들고자 하는 목표로 프로젝트를 시작하게 되고 2002년 아폴로 계획을 헌신적으로 이끌었던 제임스 에드윈 웹 NASA 제2대 국장의 이름을 따서 제임스 웹 우주 망원경으로 프로젝트명을 결정합니다.

제임스 웹 우주 망원경의 특징

제임스 웹 우주 망원경은 20년 간의 긴 연구개발과 발사 연기 끝에 2021년 12월 25일 기아나쿠루에서 아리안 5 로켓에 실려 발사된 후 2022년 1월에 태양과 지구의  라그랑주점 ( 우주 공간에서 작은 천체가 두 개의 큰 천체의 중력에 의해 그 위치를 지킬 수 있는 5개의 위치 중 한 지점) L2에 위치하게 됩니다. 제임스 웹 우주 망원경의 기본 구성은 광학 망원경 요소, 통합 과학 기기 모듈, 태양 차단막, 우주 선체로 크게는 네 부분으로 나눠집니다. 광학 망원경 요소는 JWST의 눈이 되는 것으로 총 18개의 육각형 조각으로 구성된 전체 직경 6.5m의 주경 및 주경에서 받은 빛을 재반사하는 직경 74cm의 부경으로 이루어져 있습니다. 이 주경은 적외선 반사 능력이 뛰어난 베릴륨을 소재로 금을 코팅한 거울을 사용했습니다. 금을 코팅한 이유는 적외선 빛을 가장 잘 반사하는 물질이기 때문입니다. 통합 과학기기 모듈은 주경 뒤에 붙어 있으며 카메라와 분광기가 장착된 4개의 과학 기기와 각종 센서가 내장되어 있어 JWST의 두뇌와 같은 요소입니다. 태양 차단막은 총 5겹으로 알루미늄과 실리콘으로 코팅된 마름모 형의 차단막으로 태양의 빛을 반사하고 지구의 복사열을 차폐하는 역할을 하며 적외선을 감지하는 JWST 기능의 특성상 영하 235도의 극저온을 유지하는데 필수적인 보호막입니다. 태양 차단막은 가로 21m 세로 14m의 테니스장만한 규격이지 두께는 인간의 머리카락 굵기에 불과합니다.  각 층이 섭씨 약 55도를 낮추는 효과를 준다고 합니다. JWST의 발사 후 우주에서 본연의 역할을 하기 위한 전체 구성요소의 준비 절차에서 70%가 넘는 비율을 차지하고 주경을 포함한 각종 기계적 전개 공정 가운데 제일 까다로운 부분으로 NASA에서도 많은 긴장을 과정이었지만, 2022년 1월 3일 첫 장을 펼친 것을 시작으로 이틀도 안 되어 5겹의 작업이 모두 완료되었습니다. 우주 선체는 작동에 필요한 전력 공급, 자료 송수신, 처리 정보저장, 발열 통제, 자세 제어 등을 담당합니다. 모든 전력은 태양 전지판을 통해 공급되며 자세 제어는 분사 추진기와 반작용 휠이 맡고 지구 간 통신을 위해 두 종의 안테나를 가지고 있습니다.  전력 공급은 태양 전지판과 리튬 이온 배터리에 의해 이뤄지며 태양 에너지를 수집하여 작동하고 이를 저장하기 위해 배터리를 사용하게 됩니다. 태양 에너지를 수집하는 태양전지판의 전력 출력은 약 2950와트이며 이 에너지는 망원경의 작동에 필요한 다양한 시스템과 과학적 관측을 지원하기 위해 주로 사용 됩니다. 배터리는 태양광이 부족할 때나 그림자 지역을 통과할 때에도 전력을 공급하며 관측 및 연구를 위한 특정 모드에서 망원경이 긴 시간 동안 정지할 때 필요한 백업 전력을 제공하게 됩니다.

제임스 웹 우주 망원경의 핵심 목표

우주만큼 끝없이 넓은 공간에서는 거리가 곧 시간입니다. 그래서 더 멀리 볼수록 훨씬 오래 전의 정보를 담은 빛을 만날 수 있습니다. 즉 허블 우주 망원경이 관측했던 과거보다 이전을 볼 수 있다는 의미입니다. 제임스 웹 망원경의 핵심적인 목표는 크게 네 가지입니다. 빅뱅 이후 우주에 나타난 최초의 별과 은하에서 오늘 빛을 탐색, 은하의 형성과 진화에 대한 연구, 별의 탕생과 행성 형성에 대한 이해, 행성계와 생물 기원에 대한 연구입니다. 현재의 우주 망원경들이 관측할 수 없는 천체의 관측과  빅뱅 직후 약 1억 년의 우주를 관측하는 것이 그중 하나입니다.  제임스 웹 우주 망원경 외계행성  대기에서 메탄의 유무를 파악할 수 있기 때문에 천문학자들은 이를 통해 메탄을 생명체가 존재하는 징후로 여길 수 있는지 여부를 판단할 수 있을 것입니다. 이러한 목적을 둔 제임스 웹 망원경의 탐사 목적 중 NASA가 가장 큰 기대를 가지고 있는 것은 태양계입니다. 지구가 속해 있는 태양계는 광활한 미지의 세계이고 기존의 망원경으로 관찰이 힘든 카이퍼벨트와 소행성에 대한 면밀한 탐색, 외행성의 위성에 대한 고해상도 촬영, 천왕성과 해왕성의 대기 분석, 토성 고리의 보다 선명한 이미지화 등 여러 가지 수행해야 할 임무가 있습니다. 제임스 웹 우주 망원경은 우주에 대한 우리의 지식을 초기 우주 먼 곳에서 가까운 외계 행성에 대한 연구까지 확장시킬 것을 약속하는 혁명적인 천문대입니다. 그것은 중대한 과학적 기술적 이정표를 나타내며 우주에 대한 우리의 이해와 그 안에서 우리의 위치를 재구성할 가능성도 존재하고 있습니다.