최근 국제학술지 네이처의 표지에 제임스웹우주망원경(JWST)이 실렸습니다. 초기 우주에서 발견된 거대 은하 6개를 발견하면서 우주의 기원에 대한 빅뱅이론이 뒤집힐 수도 있다는 기대감이 생기고 있습니다. 제임스웹우주망원경(JWST)의 개발 배경과 목적 기술 사양과 현재까지 관찰된 내용 그리고 개발 과제에 대해 알아봅니다.
1. 제임스 웹 우주망원경(JWST) 개발
제임스 웹 우주망원경(JWST)은 2021년에 발사한 적외선 최적화 우주망원경으로 NASA, 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 협력하여 개발 중입니다. 1961년부터 1968년까지 NASA의 2대 행정관을 역임한 제임스 웹(James E. Webb)의 이름을 따서 지어졌습니다.
JWST는 이전 허블 우주 망원경보다 더 강력하고 다채롭게 설계되었습니다. 허블은 1990년 발사된 이래 과학자들에게 우주에 대한 풍부한 정보를 제공해 왔지만, 가시광선에 대한 민감도와 지구 저궤도에 위치한다는 한계가 있었습니다. 반면 JWST는 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 두 번째 라그랑주점에 위치하고 있습니다.
1-1. 라그랑주점
라그랑주점은 공전하는 두 개의 천체 사이에서 중력과 위성의 원심력이 상쇄되어 실질적으로 중력의 영향을 받지 않게 되는 평형점을 말합니다. 프랑스의 수학자이자 천문학자인 조제프루이 라그랑주가 발견하여 그의 이름을 땄습니다.
JSWT는 적외선을 주로 관측하는 망원경이기 때문에 온도가 아주 낮은 환경에서 작동해야 합니다. 우주 초기로부터 오는 빛을 제대로 관측하려면 거울과 기기를 무려 섭씨 영하 230도나 그보다 낮게 유지해야 합니다. 지구 자체가 열을 내는 천체이기 때문에 지구 주변에서는 이런 환경을 만들기가 불가능합니다. 그래서 지구로부터 거리가 어느 정도 떨어지면서 쌍방향 통신이 가능한 곳, 그곳이 바로 태양 반대편에 고정된 L2점입니다.
L2점은 원래 태양으로부터 지구보다 먼 거리에 있기 때문에 공전주기가 길어야 하지만, 태양과 지구가 끌어당기는 힘이 더해져서 공전주기가 지구와 같아집니다. 비슷한 원리로 L3, L4, L5 점은 태양과 지구가 동시에 끌어당기는 힘이 원심력과 균형을 이루어 지구의 공전주기와 같은 주기로 태양 주위를 도는 지점입니다.
L4, L5는 안정 균형점이라 하여 이곳에 놓인 물체는 외부의 힘이 가해지지 않는 한 계속 지구와 일정한 거리를 유지하며 머무르게 됩니다. L4, L5 지점은 이러한 특성으로 인해 항상 작은 운석들이 모여 있고, 충돌 위험성 때문에 위성이나 우주망원경을 오래 위치시키는데 적합하지 않습니다.
반면 L1, L2, L3점은 불안정 균형점이라고 하는데, 이들 지점에 우주선을 보내 놓으면 처음에는 지구와 함께 태양 주위를 공전하다가 점점 태양 안쪽으로 향하거나 바깥쪽으로 밀려 나갑니다. 이 중 L1과 L3점은 지구를 중심으로 태양 쪽을 향하고 있어서 교신하는 것이 힘듭니다. 따라서 라그랑주점 중 L2점이 가장 적합하다는 결론이 나옵니다.
JSWT는 2022년 1월 24일 오후 2시경 (미국동부표준시간 기준) 지구에서 약 150만 ㎞ 떨어진 L2 주변 취종궤도에 진입했습니다. JSWT는 L2에 정확하게 있지 않고 L2점을 중심으로 도는 동시에 지구와 같은 주기로 태양 주위를 공존합니다. 이렇게 하면 망원경이 열적으로 안정적으로 유지되고 태양 전지판에서 전력을 생성할 수 있습니다.
2. 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 이미지
2-1. Carina Nebula
첫 번째 풀컬러 이미지와 분광 데이터는 2022년 7월 12일 화요일 오전 10시 30분(미국 동부 표준시 14시 30분) 메릴랜드주 그린벨트에 있는 NASA의 고다드 우주비행센터에서 TV 방송을 통해 공개되었습니다.
반짝이는 별들로 이루어진 산과 계곡으로 이루어진 이 정면은 사실 카리나 성운에 있는 NGC 3324라고 불리는 인근의 젊은 별 형성 지역의 가장자리입니다. NASA의 JWST으로 적외선으로 촬영한 이 이미지는 이전에는 보이지 않던 별의 탄생 영역을 처음으로 보여주었습니다.
우주 절벽이라고 불리는 JWST의 3차원 사진은 달빛이 비치는 저녁에 울퉁불퉁한 산처럼 보입니다. 실제로는 NGC 3324 내의 거대한 가스 구의 가장자리이며, 이 이미지에서 가장 높은 "봉우리"는 약 7광년 거리에 있습니다. 동굴 같이 보이는 지역은 매우 거대하고 뜨거운 어린 별에서 나오는 강렬한 자외선과 항성 바람에 의해 성운에서 만들어진 것입니다.
젊은 별에서 나오는 강렬한 자외선이 성운의 벽을 서서히 침식하여 성운의 벽을 조각하고 있습니다. '산'에서 솟아오르는 것처럼 보이는 '증기'는 실제로는 끊임없는 복사로 인해 성운에서 흘러나오는 뜨거운 이온화 가스와 뜨거운 먼지입니다.
JWST 적외선에 민감하기 때문에 우주 먼지를 뚫고 물체를 볼 수 있습니다. 가장 어린 광원은 구름의 어둡고 먼지가 많은 영역에서 붉은 점으로 나타납니다. 별 형성의 가장 초기의 물체는 포착하기 어렵지만, JWST의 놀라운 감도, 공간 해상도 및 이미징 기능을 통해 이미지를 얻을 수 있었습니다.
2-2. Stephan's Quintet
다섯 개의 은하를 시각적으로 그룹화한 Stephan's Quintet는 페가수스자리에 있는 은하군입니다. 이 이미지는 달 지름의 약 5분의 1을 덮는 JWST의 이미지 중 가장 큰 이미지입니다. 1억 5천만 개 이상의 픽셀이 포함되어 있으며 약 1,000개의 개별 이미지 파일로 구성되어 있습니다. JWST의 정보는 은하계 상호 작용이 초기 우주에서 우주가 어떻게 진화를 거듭했는지에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 있습니다.
JWST는 이 은하단에서 이전에는 볼 수 없었던 것들을 보여주는데요 수백만 개의 젊은 별들로 이루어진 반짝이는 성단과 새로운 별이 탄생하는 별 폭발 지역이 보입니다. 중력의 상호 작용으로 인해 여러 은하에서 가스, 먼지 및 별의 꼬리가 휩쓸고 있습니다. JWST는 은하 중 하나인 NGC 7318B가 성단을 뚫고 지나가는 거대한 충격파를 포착했습니다.
스테판의 5중주에 속한 다섯 은하를 힉슨 콤팩트 그룹 92(HCG 92)라고도 합니다. "5중주"라고 불리지만, 이 은하들 중 4개 은하만이 실제로 서로 가깝게 붙어 우주의 춤을 추고 있습니다. 다섯 번째이자 가장 왼쪽에 있는 은하인 NGC 7320은 다른 네 은하와 비교했을 때 전면에 있습니다.
NGC 7320은 지구에서 4천만 광년 떨어진 곳에 있는 반면, 다른 네 은하(NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B, NGC 7319)는 약 2억 9천만 광년 떨어져 있습니다. 수십억 광년 떨어져 있지만 우주적 관점에서 보면 여전히 상당히 가까운 거리임을 알 수 있습니다.
최상단에 있는 은하인 NGC 7319는 태양 질량의 2400만 배에 달하는 초거대질량 블랙홀인 활동성 은하핵을 품고 있습니다. 이 은하는 활발하게 물질을 빨아들이고 있으며 태양 400억 개에 해당하는 빛 에너지를 방출합니다.
2-3. Southern Ring Nebula
Southern Ring Nebula의 중앙에 있는 희미한 별은 수천 년 동안 가스와 먼지의 고리를 사방으로 내보내고 있으며, NASA의 제임스 웹 우주 망원경은 이 별이 먼지로 덮여 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈습니다. JWST을 통해 천문학자들은 죽어가는 별이 내뿜는 가스와 먼지 구름인 행성 성운에 대해 더 자세히 알아볼 수 있게 되었습니다.
JWST에 탑재된 두 대의 카메라가 NGC 3132로 분류되고 비공식적으로 남방 고리 성운으로 알려진 이 행성 성운의 최신 이미지를 포착했습니다. 이 성운은 약 2,500광년 떨어져 있습니다. 남방 행성상 성운은 죽어가는 별에서 분출된 가스와 먼지 덩어리입니다.
왼쪽의 근적외선 카메라(NIRCam) 이미지에서는 별과 그 빛의 층이 눈에 띄고, 오른쪽의 중적외선 계측기(MIRI) 이미지에서는 별이 먼지로 둘러싸여 있음을 보여줍니다. 더 밝은 별은 항성 진화의 초기 단계에 있으며 아마도 미래에 자체 행성 성운을 방출할 것입니다.
근적외선 카메라로 촬영한 관측 영상은 행성 성운 주변의 매우 미세한 광선도 보여줍니다. 중심 별에서 나오는 별빛은 가스와 먼지에 구멍이 있는 곳으로 흘러나오는데, 마치 구름의 틈새로 햇빛이 비치는 것처럼 보입니다.
별이 물질을 내뿜으면서 그 안에 먼지와 분자가 형성되고 이미지는 계속해서 변합니다. 이 먼지는 결국 성간 매질(항성 바로 근처에 존재하는 물질이나 에너지)로 확장되며 수명이 매우 길기 때문에 수십억 년에 걸쳐 새로운 별이나 행성에 통합될 수 있습니다. 수천 년이 지나면 이 가스와 먼지 층은 결국 주변 공간으로 소멸됩니다.
2-4. SMACS 0723
JWST의 첫 번째 Deep Field는 은하단 SMACS 0723이며 적외선에서 관측된 희미한 별을 포함하여 수천 개의 은하로 가득 차 있습니다.
이 이미지는 46억 년 전에 나타난 은하단 SMACS 0723의 모습과 그 앞과 뒤에 더 많은 은하가 있는 모습을 보여줍니다. 이 은하단의 결합된 질량은 중력 렌즈 역할을 하여 우주가 10억 년이 채 되지 않았을 때 보이는 은하를 포함하여 더 먼 은하까지 확대해서 보여줍니다.
JWST의 근적외선 카메라(NIRCam)로 촬영한 이 딥필드는 총 12.5시간에 걸쳐 다양한 파장의 이미지를 합성한 것으로, 허블 우주망원경이 몇 주가 걸렸던 적외선 파장 이상의 심도를 구현했습니다. 이것을 시작으로 연구자들은 계속해서 JWST을 사용하여 더 긴 노출을 촬영하여 광활한 우주의 더 많은 것을 밝혀낼 것입니다.
JWST은 이미지를 촬영하는 것 외에도 물체의 물리적, 화학적 특성을 알려주는 스펙트럼 데이터도 제공합니다. 푸른 은하에는 별은 있지만 먼지는 거의 없습니다. 빨간색 부분은 두꺼운 먼지 층으로 둘러싸여 있습니다. 녹색 은하는 탄화수소 및 기타 화합물로 채워져 있습니다. 연구자들은 이러한 데이터를 통해 은하가 어떻게 형성되고, 성장하고, 서로 합쳐지는지, 그리고 경우에 따라서는 왜 별의 형성이 완전히 중단되는지에 대해 이해할 수 있습니다.
제임스 웹 우주망원경 개발 목적
JWST의 주요 목적은 빅뱅 이후에 형성된 가장 초기의 은하를 관측하는 것입니다. 이 망원경은 또한 은하, 별, 행성계의 형성과 진화를 연구할 것입니다. 또한 외계 행성의 대기를 연구하고 태양계 밖에서 생명체의 흔적을 찾을 것입니다. JWST는 적외선 파장에서 작동하도록 설계되어 먼지와 가스를 투과하여 별과 행성 형성의 초기 단계를 관찰할 수 있습니다. 최근 가장 오래된 은하 관측에 성공한 것으로 알려져 많은 천체과학자들의 가슴을 뛰게 만들고 있습니다.
출처 및 자료 참고
1. JWST 홈페이지
Webb Image Release- Webb Space Telescope GSFC/NASA
The Latest NASA Released Webb Image is featured on this page. The James Webb Space Telescope's revolutionary technology will study every phase of cosmic history—from within our solar system to the most distant observable galaxies in the early universe. W
www.jwst.nasa.gov
2. NASA 사진 다운 가능
First Images from the James Webb Space Telescope
The dawn of a new era in astronomy has begun as the world gets its first look at the full capabilities of NASA’s James Webb Space Telescope, a partnership with ESA (European Space Agency) and CSA (Canadian Space Agency).
www.nasa.gov
관심 있는 일반인이 열심히 공부해 보았습니다. NASA의 개발 과정 사진을 보면서 망원경을 연구해서 만들어 내고, 우주선을 쏘아 올려 우주에 띄운 천문과학자들의 땀과 노력에 감동했습니다. 인간의 능력이 정말 위대하게 느껴지네요. 무엇보다 별사진이 너무 아름답습니다.
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