[이광식의 천문학+] 135억년 전 태초의 우주 엿본다…제임스웹 우주망원경 발사 성공

​135억년 전 초기 우주의 비밀 엿보는 '타임머신'

빅뱅 직후인 130억 년 전 태초의 우주는 어떤 모습이었을까? 인류의 끊임없는 호기심을 풀어줄 최강의 우주망원경 제임스웹이 크리스마스날 마침내 우주를 향해 날아올랐다. 최초의 발사예정이었던 2007년에서 무려 14년이나 늦은 지각 발사였다.

미 항공우주국(NASA)은 25일 오후 9시20분(한국시간) 프랑스령 기아나 쿠로우 우주센터에서 제임스웹 우주망원경(JWST)을 실은 아리안5 로켓이 성공적으로 발사됐다고 밝혔다.

JWST는 NASA와 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 1996년부터 기획, 2006년부터 제작에 들어갔다. 초기 예산의 5배를 훌적 뛰어넘는 100억 달러(한화 12조원)를 투입한 끝에 마침내 완성됐다.

이 거대한 망원경은 초기 우주에 나타난 최초의 별과 은하로부터 방출되는 빛을 측정해 우주 생성의 비밀을 엿볼 예정이다. 먼 우주의 먼지구름에 가려진 외계행성의 대기를 조사해 우주 생명체의 존재를 탐사하는 임무도 띠고 있다. 모든 것이 계획대로 진행된다면 앞으로 5년에서 10년에 걸쳐 다양하고 중요한 과학 작업을 수행할 것이다.

NASA 국장 빌 넬슨은 성명에서 "이것은 매우 독특한 임무"라고 강조하면서 "이 미션이 성공한다면, 비록 압도적이지는 않다 하더라도 엄청난 우주의 비밀을 열어젖혀, 우리가 누구인지, 어떻게 진화해 왔는지, 그리고 어떻게 여기까지 왔는지에 대해 엄청난 대답을 해줄 것"이라고 기대를 나타냈다.

메릴랜드주 그린벨트에 있는 NASA 고다드 우주비행센터의 웹 프로젝트 차석 과학자 조나단 가드너는 "웹은 NASA가 지금까지 수행한 것 중 가장 복잡한 것"이라고 밝히면서 "이것은 의심할 바 없이 미국이 지금까지 수행한 것 중 최대의 순수 과학 프로젝트"라고 덧붙였다.



이날 성공적으로 발사대를 떠난 JWST는 발사 27분이 지난 뒤 고도 1380㎞에서 아리안5 로켓으로부터 성공적으로 분리됐다. 마침내 통제센터 관계자들은 긴장감을 풀고 박수를 치며 발사 성공을 서로 축하했다. 웹은 30분 후 태양전지판을 펼치고 전기를 공급하는 데 성공했다.

앞으로 JWST는 약 29일간 날아가 지구로부터 지구-달 거리의 4배인 150만㎞ 떨어진 라그랑주2(L2) 지점에 안착할 예정이다. 이곳은 태양과 지구의 중력이 균형을 이뤄 별도의 동력 없이도 태양을 공전하면서 임무를 수행할 수 있는 지점이다. 또한 태양과 지구로부터 나오는 빛의 방해를 최소화할 수 있으며, 지구와 망원경의 거리를 항상 일정하게 유지할 수 있는 이점을 갖고 있는 지점이다. 제 위치에 도착한 뒤 약 5개월의 안정화 작업을 거친 이후 제임스웹은 사상 최대의 6.5m 주경을 통해 빅뱅 이후 우주의 생성과 비밀을 찾아 나선다.

NASA는 “앞으로 10년 동안 전 세계 천문학자는 물론 우주과학자 등 우주의 비밀을 연구하고 생성과 진화를 탐구하는 이들에게 제임스웹은 ‘우주의 눈’이 돼줄 것”이라며 “적외선 우주망원경인 제임스웹으로 우리는 새로운 우주 탐험의 역사를 쓰게 됐다”고 밝혔다.

항해 과정이 쉬운 것은 아니다. 갖가지 어려운 작업과정을 거쳐야 하는데, 우선 포개져 있는 지름 6.5m, 넓이 25㎡의 거대 반사경을 제대로 펴야 한다. JWST의 반사경이 너무 커서 발사 때 로켓 적재함에 넣을 수 있도록 반으로 접혀진 상태이다. 또 태양의 열과 빛을 막기 위해 설치한 테니스 코트 크기의 태양 가림막 펼치기, 반사경 미세 조절 등 각종 최첨단 장비의 정상 가동 시험 등이 기다리고 있다. 발사 후 13일째가 되면 차양막, 지지대, 그리고 망원경이 모두 펼쳐진다.

허블 우주망원경보다 최대 100배의 해상도를 자랑하는 JWST는 라그랑주2 지점에 도착한 후 태양을 바라볼 때 지구와 동일 선상에서 태양을 공전한다. 태양 가림막이 한 면이 항상 태양, 지구 및 달을 향해 펼쳐져 열ㆍ빛이 망원경의 관측을 방해하는 것을 막는다. 통신은 NASA의 제트추진연구소(JPL)에서 관리하는 거대 안테나인 심우주네트워크(DSN)를 통해 이뤄진다.

5차례나 고장나 막대한 예산이 낭비된 허블 망원경의 전철을 밟지 않기 위해 NASA 개발자들은 제작 과정에서 수십 회 반복 테스트를 실시했으며, 또한 지구에서 통신을 통해 자체적으로 오류를 수정하는 프로그램도 탑재했다. 문제는 고도 600㎞ 궤도에서 활동한 허블 망원경과 달리 150만㎞나 떨어져 있는 웹은 너무 멀어 고장날 경우 사람을 보내 수리할 길이 없다는 점이다. NASA는 스페이스X가 개발 중인 스페이스십이나 자체 개발 중인 SLS 등 초대형 우주발사체가 완성될 경우 웹 망원경의 수리 임무에 동원할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

한 세대가 걸린 망원경 만들기

웹이 처음으로 논의되기 시작한 것은 30년 전의 일이다. 1989년 9월에 볼티모어의 우주망원경 과학연구소에서 한 무리의 천문학자들이 만나서 허블 우주망원경의 후계를 논의하기 시작했을 때 처음으로 운곽을 드러냈다.

이때는 허블을 발사하기도 전이었지만, 그 후계 문제가 수면 위로 떠오른 것이다. 대형 우주망원경은 계획하고 구축하는 데 오랜 시간이 걸리기 때문에 천문학 커뮤니티에서는 10~20년 앞을 미리 구상하는 경향이 있다. 그래야만 '차세대 우주망원경'(NGST)과의 관측 간격을 최대한 단축할 수 있기 때문이다.

1990년대 중반까지 NGST가 초기 우주를 연구해야 한다는 합의가 이루어졌다. 허블이 빅뱅(138억 년 전) 이후 불과 10억 년이 지난 시점의 우주 모습을 제공했지만, 천문학계는 훨씬 더 초기의 우주를 조사하기를 원했다. 이상적으로는 우주가 태어난 직후 몇억 년 이내에 형성된 최초의 별과 은하의 시대까지 거슬러올라가는 것이다. 거대한 우주망원경은 우주의 초창기까지 거슬러올라갈 수 있는 타임머신이라고 할 수 있다.

허블, 스피처 우주망원경의 뒤를 이어 인류의 우주 관측의 새로운 역사를 쓸 것으로 기대되는 웹 망원경은 허블 망원경이 사용했던 가시광선이 아닌 적외선을 통해 태양과 같은 별을 관측하므로 우주공간에서 기존 망원경보다 더 먼 공간을 관측할 수 있다. 최대 1000광년 떨어진 행성의 산소분자를 확인할 수 있는 것으로 알려졌다. 1광년은 빛이 1년 동안 달리는 거리로 약 10조억㎞다.

NASA는 우주의 암흑기(Dark Age)가 끝난 시점, 즉 138억년 전 우주 대폭발(빅뱅) 직후 2억년 쯤 지난 135억년대 초기 우주의 별들이 보내온 적외선 파장을 관측할 수 있다고 밝혔다. 이는 사실 웹 망원경이 인류가 우주의 끝을 관측하는 첫 번째 망원경이 될 것이라는 의미이다. 뿐만 아니라 웹은 생명체가 존재할 가능성이 높은 외계행성의 우주 생명체의 탐색과 외계 태양계의 초기 행성계 관측에 집중하여 할 수 있어 태양계 생성의 비밀도 밝히는 데도 도움을 줄 것으로 기대되고 있다.

JWST는 허블과는 전혀 다른 형태를 취한 우주망원경이다. 얇은 금을 코팅한 베릴륨으로 만든 육각형 거울 18개를 벌집 꼴로 이어붙여 만든 주경은 지름이 6.5m로, 2.4m인 허블보다 2배 이상 크다. 따라서 집광력은 7배가 넘고 시야는 15배 이상 넓다.

제임스웹이라는 이름은 1960년대 캐네디 대통령 시절 NASA 제2대 국장을 역임하며 최초 달 착륙선 아폴로 프로젝트를 이끌었던 제임스 웹 NASA 국장의 이름을 땄다.

웹 망원경 설계 수명은 5년이지만, '위대한 업적'을 남긴 허블 망원경을 계승하여 앞으로 수십 년간 작동하면서 인류를 보다 먼 태초의 우주로 데려다줄 것으로 기대를 모으고 있다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com