NASA가 우주의 신비를 연구하려면 그곳의 과학자들이 우주를 내다볼 수 있어야 합니다. 허블 우주 망원경은 한동안 이 일을 하여 물리학자와 천문학자들이 우주를 더 잘 이해할 수 있도록 인류에게 별과 행성의 아름다운 이미지를 제공했지만, 90년대 초반부터 존재해 온 우주 관측소는 완전히 새롭고 업데이트된 기술로 처음부터 건설된 것과 비교하면 아무 것도 아닙니다.
제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 프랑스령 기아나의 발사 장소와 함께 유럽 우주국이 기증한 아리안 5호 로켓에 의해 2021년 12월 25일 우주로 발사되었습니다. JWST는 우주에 도착한 이래로 지구 사람들에게 새로운 태양계의 창조를 엿볼 수 있게 해 왔고 수많은 놀라운 이미지를 제공했으며, 이 모든 것은 우주에 대한 더 나은 이해를 제공합니다.
과학자들은 JWST를 사용하여 장애물 없이 어디든 볼 수 있으며, 고급 카메라와 센서 덕분에 수백 광년 떨어진 천체의 놀라울 정도로 선명한 스냅샷을 얻을 수 있습니다.
가장 오래된 별을 볼 수 있다
제임스 웹(James Webb)의 적외선 카메라 덕분에 망원경은 우주의 나이가 7억 3천만 년밖에 되지 않았을 때 발생한 초신성을 관찰할 수 있었습니다. 그 전에는 우주의 나이가 18억년이 되었을 때 일어난 초신성을 목격했는데, 훨씬 더 최근에 일어난 일입니다. 이는 JWST를 다른 망원경과 차별화시키는 강력한 기술인 JWST의 근적외선 카메라(NIRCam) 덕분에 가능했습니다. 이는 태양계 밖의 행성을 연구하는 데 필수적인 구성 요소인 코로나그래픽 및 시계열 이미징 기능을 갖춘 유일한 NIRCam입니다.
NASA는 또한 오래되었을 뿐만 아니라 질량이 태양보다 10,000배 더 많은 고대 별의 증거를 찾을 수 있었습니다. 더 중요한 것은 이 별들이 GS 3073이라고 불리는 은하계에 127억 광년 떨어져 있다는 것입니다. 이 별들은 더 이상 존재하지 않기 때문에 관련 과학자들은 법의학을 연구하여 합리적인 결론을 도출해야 합니다. 이 경우 질소와 산소 불균형이 발생합니다. 이러한 불균형은 과학자들이 알고 있는 어떤 유형의 별에 의해서도 발생할 수 없습니다.
Harvard 및 Smithsonian 천체 물리학 센터(CfA)의 Devesh Nandal은 (Space를 통해) “화학적 풍부함은 우주 지문처럼 작용하며 GS3073의 패턴은 일반 별이 생성할 수 있는 것과는 다릅니다. GS3073의 극질소는 우리가 알고 있는 한 가지 종류의 소스, 즉 태양보다 수천 배 더 큰 원시 별과 일치합니다.”라고 말했습니다.
지구에서 백만 마일 떨어져 있어요
이전 모델인 허블 망원경과 달리 제임스 웹 우주 망원경은 지구 궤도를 돌지 않습니다. 그보다는 조금 더 멀리 떨어져 있습니다. 약 백만 마일 떨어진 JWST는 태양 주위 궤도에 있는 두 번째 라그랑주 지점, 즉 L2라는 곳에 자리잡고 있습니다. 이곳이 적외선 카메라에 방해받지 않고 은하계를 볼 수 있게 해주기 때문에 이곳에 위치해 있습니다. 반면에 허블은 90분마다 지구의 그림자에 의해 가려져 망원경에 문제가 발생합니다.
JWST는 태양 주위를 공전할 때 천체 그림자에 빠지는 것을 방지하기 위해 정지해 있지 않고 L2를 중심으로 회전합니다. 이 혁명은 완료하는 데 약 6개월이 소요되는데, NASA는 이를 지구 주위의 달 궤도와 비교합니다. 총 5개의 라그랑주 포인트가 있는데, 이는 ‘삼체 문제’를 해결한 수학자 조세프 루이 라그랑주의 이름을 딴 것입니다. 아니, 단순한 소설이나 넷플릭스 시리즈가 아닙니다.
라그랑주 점은 NASA에 따르면 “…두 개의 큰 질량이 끌어당기는 중력은 작은 물체가 함께 움직이는 데 필요한 구심력과 정확하게 일치하는” 공간의 위치입니다. L2로 전송되는 위성은 이번이 처음이 아니다. JWST가 도착하기 전에는 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 등이 L2를 사용했습니다. 또한 이 위치에서는 지구 주위에 위치한 3개의 안테나로 구성된 심우주 네트워크를 사용하여 과학자들이 하루 중 언제든지 JWST와 쉽게 통신할 수 있습니다.
태양으로부터 숨어 있어요
우주가 얼어붙고 있어요. 물론, 태양의 직사광선을 받으면 조금 더 따뜻해지지만, 마지막 개척지의 바깥은 여전히 엄청나게 춥습니다. JWST가 제대로 작동하여 지구에서 본 가장 멋진 사진을 찍으려면 화씨 영하 370도 정도 되어야 합니다. 실제로 NASA는 망원경을 태양 빛이 직접 닿지 않는 태양 주위의 궤도에 배치하여 온도를 높였습니다. JWST는 먼 거리를 보기 위해 적외선을 사용하기 때문에 가능한 한 열을 피해야 합니다. 그렇지 않으면 카메라가 쓸모 없게 됩니다. 여기에는 자체적으로 생성될 수 있는 모든 열이 포함됩니다.
NIRCam 및 NIRISS와 같은 JWST의 근적외선 센서는 화씨 영하 389도 정도를 유지해야 하는 반면 중적외선 장비는 화씨 영하 447도에서 훨씬 더 차갑게 유지해야 합니다. 태양열로부터 이러한 장비를 보호하기 위해 NASA 과학자들은 태양을 향할 수 있는 5겹의 차양막을 갖춘 위성을 제작하여 천문대에 안정적인 환경을 제공했습니다.
태양 전지판, 통신 안테나, 컴퓨터 및 조종 장치는 망원경의 뜨거운 쪽에 보관되고 센서, 감지기, 필터 및 거울은 차가운 쪽에 보관됩니다. 선실드는 태양광을 흡수하고 열을 측면으로 분산시켜 차가운 쪽으로 전달되는 열이 거의 없습니다.
거울은 지금까지 사용된 거울 중 가장 가볍습니다.
제임스 웹 우주 망원경과 같은 망원경이 먼 거리를 최대한 자세히 보려면 상당히 큰 거울이 필요합니다. 두 개, 심지어 네 개도 필요합니다. JWST에는 18개의 육각형 세그먼트로 분할된 기본 거울, 붐 끝에 있는 둥근 거울, 미세한 조향 거울에 빛을 반사하는 세 번째 거울, 네 번째 거울이 있습니다. 대형 거울의 각 부분의 질량은 46파운드이며, 주 거울의 무게를 합하면 총 828파운드입니다. 이는 작은 숫자는 아니지만 JWST의 총 14,300파운드 무게 중 작은 비율을 차지합니다.
상황에 맞게 설명하자면, 허블 망원경의 주 거울의 무게는 1,825파운드이고, 처음 발사되었을 때 전체 무게는 약 24,000파운드였습니다. 이 질량은 사용 기간 동안 업그레이드가 진행되면서 증가하여 약 27,000파운드에 달했습니다. 그리고 허블이 JWST보다 더 커야 하기 때문에 그것이 말이 된다고 생각하기 전에 다시 생각해보세요. 허블 망원경의 가장 넓은 부분은 직경이 14피트에 불과한 반면, 이전의 분할 거울은 직경이 21.3피트였습니다.
JWST는 역사상 가장 가벼운 거울을 사용할 뿐만 아니라 더 크지만 허블 망원경보다 가볍습니다. NASA는 주경을 베릴륨으로 만들어 부분적으로 이를 달성했습니다. 베릴륨은 가볍지만 광범위한 온도에서도 모양을 유지하는 강한 물질입니다.
JWST의 연료가 떨어지면 그걸로 끝
James Webb 망원경은 임무를 수행하는 데 10년 이상 지속될 의도가 없었습니다. NASA는 5년 동안 지속되도록 설계했으며 10년 동안 지속되도록 하는 목표를 가지고 있었습니다. 그러나 발사가 너무 성공적이어서 실제로 20년 조금 넘게 지속될 수 있는 충분한 추진제가 확보되었습니다. 일단 연료가 떨어지면 NASA가 특정 방향을 가리켜야 할 때마다 연료를 사용하고, L2 궤도에 머물도록 이동하고, 필요할 때 경로를 수정합니다.
불행하게도 망원경은 지구에서 너무 멀리 떨어져 있기 때문에 우주비행사가 망원경으로 가서 연료 탱크를 채우는 것은 불가능합니다. 따라서 일단 연료가 부족하고 사용되는 과학적 작업을 완료할 수 없게 되면 NASA는 이를 태양 주위의 묘지 궤도에 배치하여 무기한 유지하게 됩니다.
아마도 우리는 연료가 “일단” 떨어지면 재급유 포트가 있기 때문에 JWST가 쓸모가 없을 것이라고 스스로 앞서고 있는지도 모릅니다. 따라서 NASA나 SpaceX나 Blue Origin과 같은 다른 우주 기관이 망원경에 연료를 공급하기 위한 무인 임무를 개발하고 보낼 가능성은 항상 있습니다.
