2021년 크리스마스에 발사한 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 NASA와 ESA, CSA 등이 협력하여 개발한 우주망원경으로 허블 망원경의 뒤를 이었으며, 지구에서 약 150만km 떨어진 라그랑주점(L2 포인트)에서 임무를 수행 중인 인류가 개발한 최대 규모의 우주 망원경인데요 제임스 웹 우주망원경 개발 및 주요 성능에 대해서 궁금증을 풀어드리겠습니다.
1. 제임스 웹 우주망원경 개발
제임스 웹 우주망원경(JWST, James Webb Space Telescope)은 약 100억 달러의 제작비용이 투입된 최첨단 우주망원경입니다.
제임스 웹 우주망원경 개발은 메릴랜드에 위치한 NASA의 고더드 우주비행센터(CSFC)가 맡았으며 망원경의 운용은 볼티모어 존스 홉킨스 대학교 홈우드 캠퍼스에 소재하는 우주망원경 과학 연구소가 주도했습니다.
사업에 참여한 주요 기업으로 노스롭 그루먼이 있고 망원경의 명칭은 1961년부터 1968년까지 NASA 국장을 역임하며 머큐리, 제미니, 아폴로 계획을 추진한 제임스 에드윈 웨브의 이름을 따서 명명한 것입니다.
오랜 개발 기간과 막대한 비용으로 인해 계속해서 논쟁이 있었지만 2021년 12월 25일 발사했고 현재는 우주의 기원과 진화, 외계 행성, 은하 등을 연구하는 중심 역할을 하고 있습니다.
제임스 웹 우주망원경은 원래 2007년 발사하려고 계획했으나 기술적 문제와 예산 문제, 허블 우주망원경에 대한 애착 등 여러 요인이 작용하여 연기되어 왔습니다.
2014년에서 2018년으로 연기되고 2019년, 2020년 5월, 2021년 3월까지 계속 연기되다가 결국 2021년 12월 크리스마스에 발사한 것입니다.
제임스 웹 우주망원경(JWST)은 지구로부터 약 150만 km 떨어진 라그랑주점(L2)의 리사주 궤도에서 태양 궤도를 선회하며 심우주를 관측하고 있습니다.
* 라그랑주점(L2 포인트) : 18세기 수학자 라그랑주가 발견한 5개의 안정된 위치 솔루션 지점에 대해서 발견자의 이름을 따서 명명
허블 우주망원경이 지구 저궤도에 위치한 것과 달리 허블보다 약 2,700배 높은 곳에 있으며, 라그랑주 지점은 태양과 지구의 인력과 우주망원경의 원심력이 균형을 이루는 지점입니다.
제임스 웹 망원경의 가장 큰 문제는 허블의 경우 저궤도에 위치하여 문제가 발생하면 우주왕복선을 통해 수리할 수 있었으나 제임스 웹은 너무 멀리 떨어져 있어 수리가 불가능하다는 것입니다.
2. 제임스 웹 우주망원경의 임무
제임스 웹 우주망원경의 주된 임무는 은하계와 원시성이 방출하는 근원의 관찰을 통해 초기 우주의 적외선을 탐지하는 것입니다.
초기 우주 천체에서 방출된 빛은 적색편이 현상으로 인해 자외선이나 가시광선에서 적외선으로 변하게 됩니다.
2022년 7월, 제임스 웹 우주망원경은 첫 작품으로 지구에서 46억 광년 떨어진 “SMACS 0723” 은하단을 촬영한 사진을 공개하기도 했습니다.
NASA는 이 망원경을 통해 약 135억 년 전에 생성된 별빛을 잡아내어 우주의 형성 과정을 규명하고자 했으며 제임스 웹 망원경은 외계 생명체 탐사에도 중요한 역할을 할 예정입니다.
기존 외계 지적생명체 탐사(SETI)는 고도의 문명을 가진 지능형 외계 생명체를 찾는 데 중점을 두었으나, 제임스 웹 망원경은 원시적인 생명체라도 행성 대기에 영향을 줄 수 있을 정도로 번성하면 발견할 수 있고 외계 생명체 발견 확률을 수천~수만 배 높일 수 있다는 의미입니다.
참고로 지구 저궤도에서 지금까지 임무를 수행했던 허블 우주망원경은 2027년경 발사 예정인 “낸시 그레이스 로만 우주망원경“이 정상적으로 임무를 수행하면 임무를 종료하고 태평양으로 추락하여 폐기될 예정입니다.
3. 제임스 웹 우주망원경 주요 성능
제임스 웹 우주망원경은 주 반사경으로 모인 빛을 반사하는 보조 반사경과 네 개의 관측 장비로 구성되어 있으며, 태양과 지구의 반대편에서 먼 우주를 관측하도록 설계되었습니다.
주 반사경은 1.3m 크기의 육각형 반사경 18개로 이루어져 있으며 크기가 크고 시야가 넓어 효율적인 관측이 가능하고 반사경이 베릴륨 소재로 제작되었으며 금으로 코팅하여 전체 무게가 6.5톤으로 허블 우주망원경의 절반 수준에 불과한 것이 특징이라고 할 수 있습니다.
JWST는 허블 망원경이 주로 가시광선과 근적외선을 관측하는 것과 달리, 근적외선부터 중적외선(0.6~28.3 마이크로미터)까지 광범위한 범위를 관측할 수 있습니다.
적외선 관측은 먼 거리의 별들을 볼 수 있게 해주며, 우주의 먼지에 가려져 관측이 어려웠던 별들도 효과적으로 탐지할 수 있는 것입니다.
과학자들은 제임스 웹 우주망원경의 관측 능력이 허블 우주망원경보다 100배 강하다고 평가하고 있으며 시야각은 허블보다 15배 넓어서 더 넓은 영역을 한 번에 관측할 수 있습니다.
주 반사경이 완전히 펼쳐지면 지름이 6.5m이며 허블이 2.4m인 점을 고려하면 거의 2.7배 크고, 수집 능력은 약 7배 정도 우수하다고 생각하면 됩니다.
제임스 웹 우주망원경은 네 개의 주요 관측장비를 탑재하고 있는데
첫째, Near Infrared Camera은 근적외선 카메라이며 별과 은하의 형성을 연구합니다.
둘째, Near Infrared Spectrograph는 근적외선 분광기로 수백 개의 천체를 동시에 관측하여 스펙트럼 데이터를 수집하는 장비입니다.
셋째, Mid-Infrared Instrument는 중적외선 카메라와 분광기이며 먼지에 둘러싸인 별과 행성, 초기 은하를 관측합니다.
넷째, FGS/NIRISS(Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slit less Spectrograph)는 정밀 안내 센서와 근적외선 이미지 및 슬릿 없는 분광기로, 천체의 정확한 위치를 파악하고 특성을 분석하는 장비입니다.
제임스 웹 우주망원경은 또한 5개의 얇은 막으로 이루어진, 열 보호막이 있어 태양과 지구, 달로부터의 열에 대해서 보호가 가능하며 망원경의 온도를 섭씨 -223도 이하로 유지하여 적외선 관측에 최적화된 환경을 제공한다고 할 수 있습니다.
4. 국가별 우주 및 천체 망원경 개발 전망
각 국가와 국제 협력체는 차세대 우주망원경 개발을 통해 우주 관측 능력을 극대화하고, 새로운 천문학적 발견을 이루기 위해 활발히 연구와 투자를 진행하고 있습니다.
제임스 웹 우주망원경(JEST) 이후의 다양한 프로젝트들은 우주의 기원과 외계 생명체 탐사, 천체의 형성과 진화 등 여러 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되는데요, 국가별 주요 추진 현황은 다음과 같습니다.
미국은 낸시 그레이스 로만 우주망원경을 2027년 발사 예정이며 가시광선 및 근적외선 관측 시스템으로 허블 우주망원경과 동일한 2.4m 주 렌즈와 100배 넓은 시야각을 갖고 있는 것이 특징입니다.
유럽은 유럽우주국(ESA) 주도로 개발이 진행 중이며 아리안 6(Ariane 6)를 2024년에 발사 예정이고 다양한 우주에서의 과학 임무를 지원할 예정입니다.
플라토(PLATO)도 2026년 발사 예정이며 외계 행성 탐사를 주로 수행하고 특히 지구형 행성 탐사에 집중할 것으로 예상됩니다.
일본은 일본우주항공연구개발기구(JAXA)가 주도하여 SPICA(Space Infrared Telescope for Cosmology Astrophysics)를 개발 중이고 적외선 우주망원경으로 먼지에 가려진 별과 은하를 관측하는 임무를 수행할 예정입니다.
중국은 중국우주국(CNSA) 주도로 천궁 우주망원경을 2024년 발사 예정이고 허블 망원경과 비슷한 성능의 광학 우주망원경으로 다목적 우주 관측이 목표입니다.
한국은 한국천문연구원(KASI)이 미국과 호주 등 주요 우주 기관과 공동으로 제작 중인 거대 마젤란 망원경(GMT, Giant Magellan Telescope)을 2025년 전후 완공할 예정이며 지상망원경으로 25m의 주경을 갖춘 천제 망원경이 될 것입니다.
유럽 극대 망원경(ELT, European Extremely Large Telescope)은 칠레 지역에 2025년 전후 완공할 예정이고 39m 주경에 세계 최대 지상망원경이 될 것입니다.
이상과 같이 세계 주요 국가들은 우주망원경을 포함하여 지상에서 관측 가능한 대형 천체망원경 제작을 통해 새로운 천문학적 발견을 이루기 위해 노력하고 있으며 태양계 중심 행성과 외계 행성 연구를 위한 인프라를 활발하게 구축하고 있습니다.
5. 결론
제임스 웹 우주망원경의 개발은 약 100억 달러가 투입된 대규모 프로젝트로, NASA의 고더드 우주비행센터에서 개발을 주도했고 우주 망원경 과학연구소가 운용을 맡고 있습니다.
제임스 웹 우주망원경은 우주 탐사의 새로운 시대를 열었으며 초기 우주의 은하 형성, 외계 행성의 대기 분석, 별들의 탄생과 죽음에 대해 연구하고 있으며 우리의 우주 이해를 한 단계 높여줄 것입니다.
이 망원경은 단순히 과학적 도구 이상의 의미를 가지며, 우리에게 우주의 아름다움과 신비를 밝혀줄 것이고 앞으로 우리는 제임스 웹 망원경을 통해 더 많은 발견을 할 것이며, 이를 통해 우주에 대한 우리의 지식을 더욱 확장해 나갈 것입니다.
국가별로 다양한 우주망원경 개발이 활발히 이루어지고 있는데 이러한 글로벌 협력과 첨단 기술 개발은 우주와 천체에 대한 인류의 이해를 크게 확장할 것입니다.
결론적으로 제임스 웹 우주망원경을 비롯한 차세대 망원경들은 우주의 기원과 진화, 외계 생명체 탐사 등 여러 분야에서 중요한 역할을 수행할 것으로 기대되고 있습니다.
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