허블을 대체하는 제임스 웹 우주망원경이 차갑게 보관되어야하는 이유: 적색변이의 적외선 관찰과 태양가림막

* 예상치 못한 진동 문제로 지난주 발사가 미뤄진 제임스 웹 우주 망원경이 이번 주말 혹은 연내에 발사될 예정이다. 기존의 허블 우주 망원경의 약 1백 배 이상의 관측 성능을 자랑하게 될 제임스 웹 우주 망원경의 설치의 가장 큰 난제는 선실드(sunshield) 알려진 테니스장 규모의 태양 가림막을 배치하는 것이다. 허블 우주 망원경이 지구로부터 약 540km 떨어진 곳에 배치됐다면 제임스 웹 우주 망원경은 약 1백만 마일 떨어진 곳에 배치될 예정이다. 우리 눈으로 관측 가능한 빛의 가시광선과 근적외선을 주로 관측하는 허블과 달리 제임스 웹 우주 망원경은 먼 은하와 행성에서 방출되어 130억 년 이상 동안 지구로 여행해 온 빛, 우주를 통과할 때 늘어지는 적색편이(redshift)로 적외선으로 변화한 빛, 즉 육안으로 볼 수 없는 빛을 관찰한다. 이러한 관찰을 가능하게 하기 위해서는 망원경 기기를 절대 영도(absolute zero, –273.16°C)에 가깝게 유지해야 한다. 그래야 기기가 올바로 작동할 뿐만 아니라 적외선 노이즈를 줄일 수 있기 때문이다. 따라서 태양의 주변을 공전하며 우주를 관측한 제임스 웹 우주 망원경에 있어서 가장 핵심은 열을 차단하고 기기를 차갑게 유지하는 선실드의 배치이다. 이 글은 NPR의 과학 팟캐스트 Short Wave의 협력 프로듀서인 Rebecca Ramirez의 NPR 12월 20일 자 기사 Why the most powerful space telescope ever needs to be kept really, really cold의 번역으로 제임스 웹 우주 망원경 발사와 선실드의 의미 및 배치 과정을 소개하고 있다. - 역자 주

가장 강력한 우주 망원경이 정말, 정말 차갑게 보관되어야 하는 이유

제임스 웹 우주 망원경을 묘사한 예술가의 작품. 연 모양의 햇빛 가리개는 망원경의 가장 큰 부품이다. 이미지: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)은 이번 주 후반에 발사될 예정이다. 그렇게 된다면 그것은 역사상 가장 강력한 우주 망원경이 될 것이다.

망원경으로 무장한 과학자들은 우주에서 가장 초기의 은하가 형성 시간을 거슬러 올라가 우리 태양계가 어떻게 진화했는지 연구하고, 거주 가능성을 나타내는 가스를 찾으면서 먼 행성의 대기를 분석하려고 한다.

망원경 운용을 담당하는 나사(NASA) 프로젝트 과학자인 제인 릭비(Jane Rigby)는 NPR에 "그것은 놀랍고 그것에 대해 생각하는 것이 여전히 약간 놀라운 것입니다."라고 말했다. 이 먼 은하에서 오는 빛은 130억 년 이상 동안 지구를 여행해 왔다고 그는 말했다.

이러한 관찰을 하려면 망원경의 과학 기기를 엄청나게 차갑게 유지해야 한다. 이는 망원경의 중요한 부분이 태양열로부터 망원경을 보호하는 거대한 선실드(sunshield, 태양 가림막)라는 것을 의미한다.

NASA의 제임스 웹 우주 망원경 선실드(James Webb Space Telescope Sunshield) 관리자인 제임스 쿠퍼(James Cooper)는 "제임스 웹 우주 망원경 선실드는 완전히 독특합니다."라고 말했다. "광학 냉각을 위해 이러한 유형의 가림막(shield)을 사용하는 다른 망원경은 없습니다."

이번 발사의 주요 초점 중 하나는 거대하고 복잡한 장비가 올바르게 열리는지 확인하는 것이다.

제임스 웹 우주 망원경은 우주로 보내진 망원경 중 가장 크고 복잡한 망원경이다. 발사 후 NASA가 "경계의 29일"(29 Days on the Edge)이라고 부르는 시간이 걸리며 문제가 발생할 경우 우주에서 너무 멀리 떨어져 직접 수리할 수 없다. 위의 이미지는 제임스 웹 우주 망원경 선실드의 5개의 층을 보여준다. 이미지: NASA's Goddard Space Flight Center YouTube

열 차단을 위해 테니스 코트 크기의 가림막 제작

선실드는 이 거대한 망원경의 가장 큰 부분으로, 이전 망원경인 허블보다 약 6.25배 더 큰 기본 거울을 가지고 있다. 완전히 펼쳤을 때 선실드는 테니스 코트 크기이다.

캘리포니아 주 로스앤젤레스 카운티에 있는 노스롭 그루먼(Northrop Grumman) 시설에 있는 거대한 무균실에 인상적인 똑같은 복제품이 보관되어 있다. 이 항공우주 기술 회사는 이 프로젝트에서 NASA와 협력하고 있다.

선실드의 목적은 해변에서 바르는 자외선 차단제를 생각해도 이해할 수 있다. 제임스 웹 우주 망원경 프로젝트 매니저인 빌 옥스(Bill Ochs)는 복제품의 특징을 지적하면서 "선실드는 약 백만 개의 자외선 차단 요소(SPF)를 생성합니다."라고 말했다.

과학 기기에 닿는 외부 열의 양을 최소화하도록 설계된 선쉴드는 5개의 레이어로 구성되어 있으며 각 레이어는 이전 레이어보다 더 차갑다.

이 레이어는 알루미늄으로 코팅된 캡톤(Kapton)이라는 매우 내열성이 있는 소재로 만들어졌으며 두 개의 가장 바깥쪽 레이어에 특수 실리콘이 있어 태양의 열을 우주로 다시 반사한다. 다섯 개의 연 모양의 층을 가로질러, 점점 더 많은 열이 손실되고, 그 사이의 틈새로 열이 우주로 방출된다. 가장 바깥쪽 레이어는 태양과 지구와 같은 소스의 열에 의해 닿게 되며 화씨 230도까지 올라갈 수 있다. 이에 비해 기기에 가장 가까운 레이어는 약 -394도에 도달한다.

과학자들은 이 임무가 10년 동안 지속되기를 바라며 특별히 이 레이어들을 만들었다. 그 팀은 몇 년 동안, 선실드가 우주의 파편들에 의해 부딪힐 것이라고 예상한다. 그렇기 때문에 각 레이어는 기본적으로 최첨단 퀼트(quilt)이다. 과학자들은 작은 구멍이나 찢어진 부분이 너무 커지는 것을 막기 위해 기술로 50개의 개별 조각을 꿰매서 각각의 레이어를 만들었다.

그 기술을 립 스톱(rip stops, 찢김 방지 - 역자 주)이라고 한다. "따라서 예를 들어 미세 운석이 레이어를 치면 약간만 찢어질 것입니다."라고 옥스는 말한다. "그것은 립스톱에 부딪혀 멈출 것입니다."

이 수준의 내구성은 재료 샘플이 얼마나 가벼운지를 고려할 때 인상적이다. 그것은 가벼운 산들바람에 날려 버릴 것 같은 느낌이 든다. 이 느낌은 그것이 잡화점의 은빛 마일라 풍선(Mylar balloon)처럼 보인다는 사실로 인해 더 강화된다.

망원경이 이렇게 차가워야 하는 이유

망원경에 전례 없는 선실드가 필요한 이유를 이해하려면 망원경이 어떤 종류의 빛을 받아들이고 어떤 종류의 도구가 필요한지 아는 것이 중요하다.

과학자들은 망원경을 사용하여 먼 행성과 은하에서 방출되는 적외선을 연구할 것이며 적외선 기술은 절대적으로 차갑게 유지되어야 한다.

분자가 본질적으로 움직임을 멈출 때 온도는 절대 영도(absolute zero, –273.16°C를 의미 - 역자 주)에 가까워야 한다. 이 극한의 온도는 망원경의 과학 장비가 올바르게 작동하고 적외선 센서가 포착하는 태양열과 같은 적외선 배경 "노이즈"를 최소화하는 데 필요하다.

이 망원경은 빅뱅 직후 형성된 먼 은하에서 방출되는 희미한 빛을 포착하고 있다. 인간이 볼 수 있는 빛은 전자기 스펙트럼의 전체 빛 범위의 일부에 불과하다. 우주의 이 먼 곳에서 오는 빛이 망원경에 접근할 때쯤이면 적외선 범위의 빛이 되어 더 이상 육안으로 볼 수 없다.

-전자기 스펙트럼은 빛의 전체 범위이다. NASA의 허블, 스피처, 웹 우주 망원경은 모두 인간의 눈으로 볼 수 있는 부분 너머의 빛을 감지할 수 있다. 이미지: NASA and J. Olmsted [STScI]

"빛이 우주를 통과할 때... 광파는 길어지고 열인 적외선으로 변화합니다."라고 옥스는 설명한다. 이 과정을 우주적 적색편이(cosmological redshifting)라고 한다. 팽창하는 우주가 빛을 늘임에 따라 그것은 항상 발생한다.

우주론적 적색편이(Cosmological Redshift)는 빛의 파장이 팽창하는 우주를 여행하면서 길게 늘어지는 과정이다. 이미지: NASA and A. Feild (STScI)

선실드 배치는 지난한 과정

이 망원경의 과학 장비는 작동하기 위해 매우 차갑게 유지되어야 하기 때문에 거의 100억 달러에 달하는 프로젝트는 발사 후 올바르게 배치되는 선실드에 달려 있다. 현재, 망원경은 접혀서 프랑스령 기아나에서 로켓에 포장되어 있다. 곧 이 망원경은 우주로 발사되어 지구에서 약 100만 마일 떨어진 곳으로 질주해 태양 주위를 돌 것이다. 그것이 달을 통과한 직후(발사 후 약 3일 후) 과학자들은 선실드 프레임을 원격으로 펼치기 시작할 것이다.

옥스는 "아마도 선실드 배치가 우리가 하는 일 중 가장 힘든 일일 것입니다."라고 말한다. "이것은 우리 모두가 걱정하는 것입니다. 여러분은 그들 모두에 대해 걱정하지만 이것은 아마도 우리가 가장 걱정하는 것입니다."

그 과정은 긴장되고 체계적일 것이다. 선실드에만 100개 이상의 이탈장치(release mechanism)가 있다. 과학자들은 그것을 배치하는 데 며칠을 보낼 것이다. NASA는 이것이 "고통스러운 시간"의 일부가 될 것이라고 말한다. 느리고 꾸준함이 진정으로 승리한다는 증거가 되기를 희망하며, 그 상(prize)은 우주의 역사를 여는 것일 수 있다.

지난 몇 년 동안 수백 가지의 비상사태 절차를 테스트한 후 옥스의 배치 목표는 풀이 자라는 것을 지켜보고 있는 것처럼 느끼며 며칠을 보내는 것이다. "나는 우리가 개발 과정에서 우리의 속죄를 다했고 궤도에 오르면 지루해지기를 바랍니다."

반대 상황이 발생하면 망원경이 너무 멀리 떨어져 있어 직접 서비스를 받을 수 없다. 제임스 웹 우주 망원경 배치를 정상 궤도에 올리기 위한 모든 문제 해결은 먼저 여기 지구에 있는 복제본에서 테스트될 것이다.