7부 능선 넘은 제임스 웹 우주 망원경, 심우주 탐사 계획은?

[IT동아 차주경 기자] 수십 년 간 은하와 우주의 신비를 밝혀 온 허블 우주 망원경이 은퇴하고, 그 자리를 제임스 웹 우주 망원경이 대신한다. 미국항공우주국(NASA)은 2021년 12월 25일(이하 현지시각) 제임스 웹 우주 망원경 발사 후 가장 어려운 단계인 광학계 미세 정렬을 성공리에 마쳤다고 3월 15일 밝혔다.

제임스 웹 우주 망원경은 발사 후 2022년 1월 24일 궤도에 도달했다. NASA는 우선 망원경의 광학계와 전자 장비를 점검하고, 반사 거울 18개를 정렬하도록 배치하는 매우 정밀한 작업을 시작했다. 반사 거울 18개를 모아 직경 6.5m인 거대한 반사경 하나처럼 동작하도록, 거의 같은 빛의 파장을 나타낼 정도로 정교하게 조절한다. 반사 거울의 위치를 조절하는 단위는 10nm, 사람 머리카락의 1/10000에 달할 정도로 정교하다. 제임스 웹 우주 망원경의 직경 6.5m 반사경은 허블 우주 망원경의 직경 2.4m 반사경보다 훨씬 크다.

정렬 작업은 총 7단계다. ▲1단계 반사 거울별 사진 식별 ▲2단계 반사 거울 정렬 ▲3단계 사진 중첩 확인 ▲4단계 위상차 조절 ▲5단계 위상차 세부 조절 ▲6단계 시야에 따른 망원경 정렬 ▲7단계 최종 수정을 위한 반복 정렬이다.

1단계 정렬 작업을 마친 2월, 제임스 웹 우주 망원경은 최초의 천체 사진을 찍는 데 성공했다. 반사 거울 18개가 모두 동일한 천체를 찍었지만, 정렬이 채 이뤄지지 않아 천체의 위치가 무작위로 퍼져 보이는 사진이었다.

이 사진을 참고해 NASA는 2단계와 3단계 정렬 작업을 시작했다. 반사 거울 18개가 모두 동일한 천체를 찍을 때 정렬이 이뤄져 천체의 위치를 한 곳에 모아서 찍도록 조정하는 작업이 2단계, 이 사진을 중첩해 해상도를 높이는 작업이 3단계다.

4단계 정렬 작업은 반사 거울 18개가 수평과 수직으로 균일한 성질을 갖도록 배열돼서 빛의 파장보다 적은 정확도를 나타내는지를 확인하는 작업이다. 5단계 정렬 작업은 4단계의 결과를 토대로 더 정밀하게 화질을 조절한다.

반사 거울 정렬과 함께 정밀 유도 센서의 성능 검증도 이뤄졌다. 정밀 유도 센서가 멀리 있는 천체를 정확히 포착하고 위치를 알려줘야 제임스 웹 우주 망원경에 놓치지 않고 천체 사진을 찍는다. 정밀 유도 센서의 성능은, 미국 뉴욕 시에 있는 사람이 500km 떨어진 캐나다 국경에 서 있는 사람의 눈 깜박임을 알아보도록 할 정도로 우수하다.

3월 15일, NASA는 5단계 작업을 3월 11일에 성공리에 마쳤다고 밝혔다. 작업은 순조로우며, 제임스 웹 우주 망원경의 성능이 주요 피사체인 천체뿐만 아니라 그 주변의 다른 천체까지 담을 정도로, 원래 기대한 것보다 더 좋다고도 언급했다.

NASA는 앞으로 6주일에 걸쳐 제임스 웹 우주 망원경의 나머지 정렬 단계를 진행할 예정이다. 6단계는 아주 먼 거리에 있는 심우주를 탐사하는 데 필수인 근적외선 카메라와 분광기, 중적외선 관측 장비 등을 반사 거울에 알맞게 장착하는 절차다. 이어 이들 장비의 성능을 개별 평가 후 정렬하는 데 필요한 마지막 보정 수치를 계산하고 적용하는 것이 마지막 7단계다.

마지막 보정 수치까지 나오면 제임스 웹 우주 망원경의 광학계는 거의 완성된다. 7단계를 마치고 NASA는 7월부터 이 망원경을 본격 운영한다고 밝혔다.

제임스 웹 우주 망원경은 허블 우주 망원경보다 더 먼 거리에 있는 심우주를 더 선명하게 담을 전망이다. NASA는 이 우주 망원경의 주요 임무를 ▲최초의 별과 은하 관측 ▲은하 형성과 진화 연구 ▲별과 행성계가 만들어진 원리 연구 ▲행성계와 생명의 기원 연구로 소개한다.

이 가운데 행성계와 생명의 기원 연구에는 외계 생명체 탐사가 포함된다. 외계 생명체를 직접 찍는 것이 아니라 심우주에 있는 행성의 대기를 촬영, 이를 분석해 생명체가 있을 가능성을 연구하는 원리다.

글 / IT동아 차주경(racingcar@itdonga.com)