제임스 웹 우주망원경: 우주의 기원을 밝히다

제임스 웹 우주망원경(JWST)의 발사로 인류의 우주 이해, 그리고 그 기원에 대한 이해가 기하급수적으로 늘어날 것이다.

원래 차세대 우주망원경(NGST)으로 불리던 이 망원경은 2002년 9월 전 나사 국장 제임스 웹을 기리기 위해 이름이 바뀌었다. JWST는 나사, 캐나다우주국(CSA), 유럽우주국(ESA), 항공우주 제조사 노스롭 그루먼(Northrop Grumman), 발사 후 망원경을 운영할 우주망원경과학연구소(STScI) 등 국제 협력 파트너들을 대표한다.

적외선 기술

JWST를 허블 우주망원경 같은 이전 우주망원경들과 구별하는 점은 무엇인가? 우선 1990년 발사된 허블은 광학 망원경이지만 JWST는 적외선 망원경이다. 빛 파동이 끊임없이 팽창하는 우주를 여행하면서 '늘어나' 더 길고 붉은 에너지 파장으로 이동한다. 어느 시점에 우주에서 가장 먼 별들로부터 나온 한때 가시광선이 적외선 파장으로 이동해 허블 같은 광학 망원경으로는 더 이상 감지할 수 없게 된다. JWST는 그 적외선 파장을 포착하고 최첨단 분광학으로 분석하도록 특별히 설계되었다.

JWST가 우주 탐사에 적외선 기술을 처음 사용한 것은 아니다. 1983년 나사는 획기적인 적외선천문위성(IRAS)을 궤도에 올려 세계 최초의 우주 기반 적외선 망원경으로 만들었다. 미국, 네덜란드, 영국이 공동 엔지니어링한 이 위성은 지구 위 559마일(약 900km) 궤도에서 10개월간 임무를 수행하며 12, 25, 60, 100 마이크로미터 파장에서 25만 개 이상의 적외선 소스를 관측했다. 그 임무 성공으로 1985년 챌린저 우주왕복선(STS-51)에 헬륨 냉각 적외선 망원경이 탑재되었고, 결국 2003년 발사된 스피처 우주망원경 개발로 이어졌다.

그 사이 유럽우주국은 나사, 일본 우주항공연구개발기구(ISAS)와 협력해 1995년 11월 적외선우주관측소(ISO)를 발사했다. 3년 임무로 약 3만 개 적외선 소스 관측, 2.5~240 마이크로미터 범위 이미징, 2.5~196.8 마이크로미터 범위 분광학, 실시간 데이터 전송을 목표로 했다. 1997년에는 허블 광학 망원경에 근적외선카메라및다중분광계(NICMOS)를 장착해 적외선 능력을 부여했다(서비싱 미션 2, STS-82).

NICMOS는 볼 에어로스페이스 & 테크놀로지(Ball Aerospace & Technologies Corp.)가 설계·제작한 결합형 이미징 장치이자 분광계로, 사파이어 기판에 접합된 세 개의 수은 카드뮴 텔루라이드 근적외선 검출기를 탑재해 0.8~2.5 마이크로미터 파장에서 작동하도록 설계되었다. NICMOS는 1997~1999년 냉각제 고갈까지 작동했고, 2002~2008년 서비스 미션 3B(STS-109)에서 새로운 극저온 냉각 시스템 설치 후 다시 작동했다. 결국 2009년 서비스 미션 4(STS-125)에서 광시야카메라 3(WFC3)으로 교체되었다. WFC3은 엄밀한 적외선 기기는 아니지만(자외선 및 광학 채널도 있어 200~1000nm 파장 기록 가능), 800~1700nm 파장에서 이미지를 포착하는 근적외선 검출기를 가졌다. NICMOS에 비해 적외선 능력은 제한적(1700nm vs 2500nm)이지만 열전 냉각이 가능해 극저온 냉각이 필요 없다.

거울

아마도 우주로 발사된 가장 기술적으로 진보한 과학 기기인 JWST는 허블과 스피처 우주망원경의 장점을 결합할 뿐 아니라, 주경 크기부터 시작해 그들을 훨씬 능가할 것이다. 웹의 주경 지름은 6.5미터로 허블의 2.4미터, 스피처의 소형 0.8미터와 비교된다.

이 크기의 거울은 현재 어떤 발사체에도 들어가지 않기 때문에, 18개의 개별 육각형 세그먼트로 구성되며 궤도에서 자동으로 펼쳐지고 형상을 조정한다. 각 세그먼트는 진공 증착으로 두께 1000옹스트롬(100나노미터)의 얇은 금 층으로 코팅된다. 이를 감안하면, 상온 금 밀도(19.3g/cm³) 기준 48.25g 금, 골프공 질량 정도만으로 25m² 면적을 코팅한다. 왜 금인가? 우수한 반사율 때문이다. 금은 수집된 적외선의 98%를 반사하는 반면 알루미늄 같은 물질은 가시광선의 약 85%만 반사한다.

JWST는 지구 위 150만 km(1.5백만 킬로미터) L2 지점을 공전하도록 설계되었다. 지구 대기로부터 멀어질수록 데이터 품질에 부정적 영향을 주는 요소가 줄어든다. 또한 지구 보호 자기장에서 충분히 멀리 떨어져 고에너지 우주선이 신호를 방해하거나 민감한 기기를 손상시킬 수 있는 전하를 생성하는 것을 방지한다. 추가 보험으로 JWST는 전압 축적으로 선실드와 서브시스템이 손상되지 않도록 특수 차폐 및 전도성 재료로 설계되었다. 망원경은 L2를 198일마다 한 바퀴 돈다… 혹시 관측하고 싶다면 참고하시라.

선실드

망원경의 선실드는 테니스 코트 크기(21.197m × 14.162m) 정도로 JWST에서 단연 가장 큰 요소다. 실리콘 코팅된 듀폰(Du-Pont™) 캡톤(Kapton®) 5층으로 구성되며 각 층 두께는 1mm 미만이다. 선실드의 주 목적은 기기가 장착된 망원경의 차가운 면과 태양을 향한 면을 분리하는 것이다. 1번 층 최대 견딜 수 있는 온도는 383K(~231°F), 5번 층은 최대 221K(~-80°F), 최소 36K(~-394°F)다. 적외선 검출기는 낮은 온도를 선호하고 JWST 탑재 시스템에서 발생하는 열이 수집되는 적외선 신호를 오염시킬 수 있으므로, 망원경 선호 작동 온도는 50K(~-370°F) 이하다.

선실드 크기와 얇은 재료를 고려할 때 설계자들이 직면한 엔지니어링 과제 중 하나는 우주 비행의 혹독함을 견딜 만큼 튼튼하게 만드는 것이었다. 그들은 영리한 지지 리브 시스템을 만들어 필요한 구조적 안정성을 제공하면서 부서지지 않게 했다. 이 시스템은 우주 파편으로 인한 작은 찢김과 찢어짐도 견딜 수 있다.

기술 면에서 JWST는 세 부분으로 나눌 수 있다: 통합과학기기모듈(ISIM), 광학망원경요소(OTE), 우주선요소(SE).

과학 기기

ISIM에는 JWST의 네 가지 주요 과학 기기가 들어 있다: 근적외선카메라(NIRCam), 근적외선분광기(NIRSpec), 중적외선기기(MIRI), 정밀유도센서/근적외선이미저및슬릿리스분광기(FGS/NIRISS).

애리조나 대학교와 록히드 마틴이 제작한 근적외선카메라는 두 가지 중요한 기능을 수행한다. 첫째, 600nm~5000nm 파장 범위에서 10,000초 노출(약 2.8시간)로 이미지를 포착한다. 37K(~-393°F)에서 작동하도록 설계되어 빅뱅 이후 우주에서 형성된 최초의 별과 은하에서 생성된 빛을 관측하고 기록한다. 다른 중요한 기능은 주경 18개 세그먼트 성능을 지속적으로 모니터링해 망원경이 초점을 유지하도록 하는 것이다.

유럽우주국(ESA)이 제공한 근적외선분광기는 3분 × 3분 시야 내에서 최대 100개 천체를 동시에 분석할 수 있다는 점에서 독특하다. 파장 범위는 600nm~5000nm다. 약 25만 개 마이크로 셔터(각 100×200 마이크론)를 가진 네 개의 프로그래머블 슬릿 마스크 어레이 덕분에 가능하다. NIRSpec은 네 가지 작동 모드(다중천체분광 MOS, 적분장단위 IFU 모드, 고대비슬릿분광 SLIT, 이미징 모드 IMA)를 가진다. 근적외선카메라처럼 우주의 기원에서 수집된 빛을 분석하는 데 쓰인다.

중적외선기기는 카메라와 분광계 둘 다로 작동하며 근적외선 기기들이 끝나는 5000nm~28000nm 파장에서 빛을 포착하고 분석한다. 이 영역에서 성능의 열쇠는 비소 도핑 실리콘 검출기, 즉 초점면모듈(FPM)이며 해상도는 1024×1024 픽셀이다. MIRI는 7K(~-447°F)로 극저온 냉각되며, 5000nm~12000nm 파장에서 빛을 분석할 수 있는 저해상도 분광계(게르마늄 금속과 황화아연 프리즘 장착)도 포함한다. 또한 코로나그래프를 장착해 외계행성 연구가 가능하다.

마지막으로 캐나다우주국이 제작한 정밀유도센서/근적외선이미저및슬릿리스분광기는 800nm~5000nm 파장에서 빛을 관측하며 두 가지 기능을 수행한다. 정밀유도센서는 JWST의 방향 감각을 제공해 지정된 표적을 겨냥한다. 근적외선이미저및슬릿리스분광기는 2048×2048 픽셀 수은 카드뮴 어레이와 2.2ft × 2.2ft 시야를 갖추고 외계행성 탐지와 분석을 위해 설계되었다.

광학망원경요소(OTE)는 이름 그대로 JWST의 눈이다. 나사에 따르면 6.5미터 주경을 구성하는 18개 육각 세그먼트, 0.74미터 원형 부경, 3차 및 미세조향 거울, 주경 백플레인 어셈블리와 메인 백플레인 지지구조(기기 모듈도 포함), 열관리 서브시스템, 후방 전개 ISIM 라디에이터(ADIR), 우주선의 파동면 감지 및 제어 시스템으로 구성된다.

서브시스템

마지막 퍼즐은 우주선요소로, 선실드와 우주선버스로 구성된다. 6500kg 망원경 전체 질량을 지탱하는 것 외에도, 흑연 복합 소재로 만든 우주선버스에는 JWST의 6대 주요 서브시스템(전력, 자세제어, 통신, 명령·데이터처리, 추진, 열제어)이 들어 있다.

전력 서브시스템의 주 기능은 태양전지판이 수집한 에너지를 다른 서브시스템에 필요한 전기 에너지로 변환하는 것이다. 자세제어 서브시스템은 궤도에서 망원경 방향과 안정성을 관리한다. 통신 서브시스템은 나사 심우주통신네트워크를 통한 데이터 및 명령 신호 전송을 담당한다. 명령·데이터처리 서브시스템에는 JWST 주컴퓨터와 명령텔레메트리프로세서(CTP), 고체기록기(SSR) 데이터 저장장치가 있다. 추진 서브시스템은 망원경을 조준하고 적절한 궤도에 유지하는 로켓과 연료탱크로 구성된다. 열제어 서브시스템은 4개 전개라디에이터쉐이드어셈블리를 제어하고 우주선 내 중요 작동 온도를 유지하도록 설계되었다.

허블과 스피처 우주망원경이 수집한 엄청난 양과 질의 데이터를 바탕으로 JWST로부터 무엇을 배울지에 대한 기대와 흥분은 당연하다. 예상 임무 기간은 5~10년이며, 그 기간 동안 과학자들은 우주의 기원과 형성뿐만 아니라 블랙홀, 초신성, 어린 은하, 생명체 존재 가능성이 있는 먼 행성 등 다른 미스터리들에 대한 귀중한 정보를 얻기를 희망한다.

무엇을 발견하든, 인기 TV 시리즈 스타트렉의 가상 우주선 엔터프라이즈호처럼, JWST는 우리에게 과학적으로 "어디에도 가본 적 없는 곳"으로 갈 수 있는 매우 실제적인 능력을 줄 것이다.

이 기사는 Photonics & Imaging Technology 편집장 브루스 A. 베넷(Bruce A. Bennett), SAE Media Group(뉴욕, NY)이 작성했습니다.

출처

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/