천문학자가 해설하는 제임스 웹 우주망원경 최초 이미지들과 천문학에서의 의미

■ 역자 주: 2021년 크리스마스에 발사되어 무려 100만 킬로미터를 항해하고 수개월에 걸쳐 접힌 망원경을 펼치는 작업 끝에 제임스 웹 우주망원경이 첫 이미지를 보내왔다. 우주 탄생의 신비와 인간 거주 가능성의 탐색이라는 두 가지 임무를 가진 제임스 웹 우주 망원경은 SMACS 0723, 슈테팡 5중주 (Stephan's Quintet), 용골자리 성운(Carina Nebula), 팔렬 성운(Eight-Burst nebula) 등 다양한 성운들의 이미지를 보내왔다. 이 글은 제임스 웹 우주망원경 프로젝트에 직접 참여하고 있는 레스터 대학교 천체물리학 및 우주과학 교수 Martin Barstow의 Conversation 7월 12일 자 기고 James Webb telescope: a scientist explains what its first, amazing images show – and how it will change astronomy의 번역으로 각각의 이미지에 대해 해설하고 있으며, 이 이미지들이 천문학의 미래에 가질 의미에 대해 설명하고 있다.

제임스 웹 망원경: 한 과학자가 그 최초의 놀라운 이미지가 보여주는 것이 무엇인지 그리고 그것이 천문학을 어떻게 변화시킬 것인지 설명한다

Martin Barstow

수십 년간의 개발과 그 과정에서 많은 시행착오와 좌절을 겪은 후에 제임스 웹(James Webb) 망원경은 마침내 그 목적을 달성하기 시작했다. 7월 12일, 나사(NASA)는 우주선에 탑재된 일련의 장비로 이루어진 최초의 과학적 관측을 발표했으며, 이는 우리가 간절히 기대하는 것이 천문학의 새로운 시대의 시작임을 표시한다.

조마조마했던 성탄절 발사 이후, 망원경과 그 차양을 열기 위해 일련의 중요한 전개가 뒤따랐다. 이러한 작업 중 하나라도 실패했다면 제임스 웹은 사용할 수 없는 재앙이 되었을 것이다. 그러나 프로그램은 완벽하게 실행되었으며, 기대는 말할 것도 없이 희망 우리 중 누구도 감히 희망했던 것보다 더 원활하고 성공적으로 실행되었다.

이것은 이 프로젝트의 엔지니어, 기술자 및 과학자의 기술에 대한 단순한 증거가 아니다. 이것은 또한 절차를 확인하기 위해 지구에서 수행된 테스트 프로그램의 엄청난 중요성을 강조하고 이는 때때로 발사 전에 수정해야 할 문제를 드러냈다. 이로 인해 일정이 지연되고 비용이 증가하기도 했지만 궁극적으로 완벽한 망원경이 탄생했다.

7월 동안 망원경은 오랫동안 계획되어 온 놀라운 천문대로서, 점검과 테스트 단계에서 운영 단계로 이동했다. 이 여정에 참여했고 데이터 작업을 할 사람들은 거의 기다릴 수 없을 지경이었다.

선명한 이미지

Nasa, Esa(유럽 우주국), CSA(캐나다 우주국) 및 우주 망원경 과학 연구소의 대표로 구성된 국제 위원회가 선택한 새로운 "조기 방출 관측"(early release observations)은 망원경이 수행할 광범위한 과학을 강조하기 위해 고안된 프로그램의 일부이다.

새로운 이미지를 보는 것은 매우 흥미진진하다. 나는 볼 수 있는 선명도와 섬세한 디테일 수준에 대해 준비가 되어 있지 않았다. 드디어 이런 고품질 데이터를 갖게 된 것은 기쁜 일이다.

조 바이든(Joe Biden) 미국 대통령이 공개한 수천 개의 은하단인 SMACS 0723의 놀라운 이미지가 7월 11일에 공개되었다. 거대한 전경 은하단은 뒤에 있는 물체의 빛을 확대하고 왜곡하여 우리가 과거의 아주 희미한 물체를 돌아가 볼 수 있도록 도와준다.

이 이미지는 46억 년 전에 나타난 은하단을 보여준다. 그러나 이미지에서 더 멀리 떨어져 있는 은하(늘어진 것처럼 보이는 것)는 약 130억 년 전이며 우리는 그들에 대해 이미 다른 어떤 고대 은하보다 더 많은 데이터를 가지고 있다.

이와 같은 이미지는 최초의 별과 은하가 어떻게 형성되었는지 이해하는 데 도움이 된다. 이들 중 일부는 우주의 시작부터 알려진 가장 먼 천체 중 하나일 것이다. 이 그림은 다른 파장들에서 관찰한 결과로 만들어진 합성 "컬러" 이미지이다. 그것은 망원경의 근적외선 카메라(Near-Infrared Camera, NIRCam)로 촬영되었다.

수천 개의 은하단인 SMACS 0723 이미지. 사진: NASA, ESA, CSA, and STScI

제임스 웹은 또한 페가수스 별자리에서 약 2억 9천만 광년 떨어져 있는 곳에서 합쳐지고 있는 5개의 은하 그룹인 슈테팡 5중주 (Stephan's Quintet)를 언뜻 보여주었다. 이 이미지는 또한 중심에 초거대질량 블랙홀이 있음을 암시하며 별이 탄생하고 있음을 보여준다. 데이터는 은하가 어떻게 진화하고 초대질량 블랙홀이 성장하는 속도에 대해 더 많이 알려줄 것이다.

슈테팡 5중주 (Stephan's Quintet). 사진: NASA, ESA, CSA, and STScI

아래 이미지에서 볼 수 있는 다음 사진은 용골자리 성운(Carina Nebula)을 보여준다. 이 성운은 가장 크고 밝은 성운(별이 탄생하는 먼지와 가스 구름) 중 하나이다. 제임스 웹은 적외선 빛으로 먼지 속 깊숙한 곳을 조사하여 우리가 한 번도 본 적이 없는 별의 요람의 내부를 드러내 별이 어떻게 탄생하는지에 대해 더 많은 것을 발견할 수 있다.

이 용골자리 성운은 남쪽 별 용골자리에서 약 7,600광년 떨어져 있다. 이 이미지는 수백 개의 완전히 새로운 별(빛의 모든 점은 별임)과 이 별에 의해 생성된 분출과 거품을 보여준다. 아직 설명할 수 없는 세부 사항도 볼 수 있다.

우리 은하에 별이 형성되는 영역. 사진: NASA, ESA, CSA, and STScI

다음으로 멋진 이미지는 죽어가는 별을 둘러싸고 있는 팽창하는 가스 구름인 행성상 성운(planetary nebula)인 남쪽 고리 성운(Southern Ring) 또는 "팔렬" 성운(Eight-Burst” nebula, NGC 3132)이며, 이 경우 서로 공전하고 있는 두 개의 사멸하는 별이다. 지름은 거의 반 광년이고 지구로부터 약 2,000 광년 떨어져 있다.

이미지에서 거품 같은 주황색 껍질은 분자 수소(두 개의 수소 원자가 함께 결합할 때 형성되는 기체)이고 파란색 중심은 전기적으로 충전된 기체이다. 오른쪽 이미지에서 중앙에서 죽어가는 두 개의 별을 볼 수 있어 별의 죽음을 전례 없이 자세하게 연구할 수 있는 기회를 제공한다.

남쪽 고리 성운(Southern Ring). 사진: NASA, ESA, CSA, and STScI

새 데이터는 제임스 웹이 배치 후 과학 도구로 사용될 수 있도록 하기 위해 수개월 동안 고심했던 측정과 테스트의 결과입니다. 첫 번째 단계는 각 거울 조각들(mirror segments)의 이미지에 초점을 맞추고 정렬하는 것이었다. 망원경의 각각의 과학 기기인 근적외선 카메라, 근적외선 분광기(Near InfraRed Spectrograph, NIRSpec) 및 중적외선 기기(Mid-Infrared Instrument, MIRI)도 켜고 테스트했다.

다른 파장의 깊은 우주를 관찰하는 이 모든 장비는 망원경과 함께 냉각되어야 했다. 그렇지 않으면 천체의 민감한 관찰을 방해하는 배경 열을 방출할 것이다. 마지막으로 켜진 것은 최저 온도에서 작동하는 중적외선 기기로, 절대 영도보다 불과 7도 높았으며 달성하는 데 몇 달이 걸렸다.

https://zigzagworld.tistory.com/357

허블을 대체하는 제임스 웹 우주망원경이 차갑게 보관되어야하는 이유: 적색변이의 적외선 관찰

망원경의 크기, 즉 조리개는 이미지의 궁극적인 품질과 관찰할 수 있는 세부 사항을 결정하는 핵심 요소이다. 더 클수록 좋다. 지름이 10미터에 이르는 대형 망원경이 지상에 건설되었다.

그러나 망원경에 도달하는 빛을 방해하는 대기의 간섭 효과로 인해 궁극적인 해상도를 얻기 어렵다. 또한 지구에서 밤하늘의 배경광은 우리가 볼 수 있는 가장 희미한 물체인 망원경의 감도를 제한한다.

구경이 6미터인 제임스 웹은 지금까지 우주로 발사된 가장 큰 망원경으로 지구에서 100만 마일 떨어진 지점에서 지구 대기로부터 자유롭고 우리가 가진 우주에 대한 지금까지 본 가장 훌륭하고 상세한 관찰을 제공할 것으로 예상된다. 이전에 허블 우주 망원경이 그랬던 것처럼 우주에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으킬 것이라는 데는 의심의 여지가 없다.