제임스 웹 우주 망원경
1. 개요
NASA, ESA, 캐나다 우주국이 개발 중인 허블 우주 망원경의 후계 우주 망원경으로, 가시광선 및 적외선 영역의 관측을 수행한다. 기존 지상 망원경이나 우주 망원경이 관측할 수 없었던 아주 먼 거리에 위치한 심우주 천체들을 관측하는 것이 주목표로, 이를 위해 적외선 관측 능력이 매우 뛰어나도록 설계되었다.[12]
원래는 "차세대 우주 망원경(NGST; Next Generation Space Telescope)"이라 불렸으나, 2002년 NASA 제2대 국장인 제임스 에드윈 웹의 이름을 따서 현재 이름이 되었다.
2. 개발 배경
허블 우주 망원경이 1990년에 가동하기 시작하면서 NASA에서는 후계 망원경에 대한 논의가 시작되었다. 마침 세계적인 관심이 우주론으로 쏠린 것도 있었고, 올라가고 보니 너무나도 좋은 성능을 보여 준 탓에 일단 큰 걸 만들더라도 사이즈를 좀 줄여서 지구 밖으로 보내자는 여론이 조성되면서 1996년, 허블 망원경의 연식이 다 할 것이라고 예상되는 즈음에 쏘아올릴 거대 우주 망원경을 계획하게 된다.
그리하여 허블 망원경이 볼 수 없는 더욱 깊은 우주를 볼 수 있는 망원경을 만들자는 일념하에 개발 프로젝트가 시작되었고, 2002년에 과거 아폴로 계획을 헌신적으로 지원했던 제임스 에드윈 웹 NASA 제2대 국장의 이름을 따 '제임스 웹 우주망원경(JWST)'으로 프로젝트명을 결정, 프로젝트가 본격화되었다.
3. 허블 우주 망원경과 차별점
허블 우주 망원경은 직경 2.4m의 단일 반사경을 사용하지만, 제임스 웹 망원경은 그보다 집광 면적이 7.3배 더 넓은 직경 6.5미터의 반사경을 쓴다. 이렇게 큰 망원경을 통채로 우주로 보낼 수는 없으니 18개의 1.3m 짜리 작은 정육각형 반사경으로 나눠서 구겨넣고 발사해 나중에 펼쳐서 조합해서 큰 반사경으로 쓴다. 반사경의 재질도 유리가 아니라 가볍고 강하고 열변형이 적고 적외선 반사능력이 뛰어난 베릴륨을 소재로 금을 코팅한 거울을 쓴다.[13] 덕분에 반사경은 훨씬 커졌지만 망원경 전체의 무게는 6.5t으로 허블의 절반밖에 안 된다.
광학적으로도 허블은 반사경이 두 개인(주 반사경+2차 반사경) Ritchey–Chrétien 방식을 쓰는데, JWST은 3차 반사경까지 쓰는 Korsch 방식이라 허블 망원경보다 시야가 월등히 넓고[14] 모든 광학적 수차를 없앴다. 바로 KH-11 키홀 스파이 위성 등이 쓰는 망원경의 방식이다. 시야가 넓으니 한정된 시간에 넓은 영역을 관측할 수 있어서 훨씬 효율적이다. 우주망원경이라 대기의 교란은 없으므로 적응광학장치는 필요없지만, 중력이나 태양풍 등의 영향으로 가끔 기계적 조정은 필요하므로 능동광학장치로 반사경을 미세조정할 수 있다.
허블 우주 망원경의 주된 관측 영역은 가시광선과 근적외선 정도[15]였다. 하지만 허블보다 더 멀고 희미한 천체를 관측하려면 반사경이 커야 하는 건 물론이고, 관측영역도 가시광선보다는 적외선 영역을 관측하는 게 좋다.[16] 그리고 가시광선 관측은 이미 적응광학기술 등으로 개선된 지상의 초대형 지상망원경이 더 잘할 수 있으므로, 우주망원경은 대기의 수증기 등의 흡수로 지상 망원경으로는 관측하기 어려운 적외선 영역을 관측하는 것이 더 효과적이다. 그래서 허블의 후계자인 제임스 웹 망원경은 주로 적외선을 관측하게 설계되었다. 다만 반사경이 커졌지만 적외선을 주로 관측하니 파장도 길어져서 회절은 상쇄되어 해상도는 비슷하게 유지되었다.
그런데 적외선 영역은 상온 수준의 낮은 온도의 물체도 쉽게 뿜는다는 특징이 있다. 즉 망원경이 열을 받으면 렌즈와 필름 속에서 플래시 터지는 카메라 꼴이 되어 관측이 불가해진다. 그러므로 망원경의 온도를 항상 절대온도 40K(섭씨 -233도) 정도로 크게 낮춰야 한다. 이를 위해 망원경의 아래쪽에 마치 천막처럼 보이는 5겹의 차양을 설치해 태양으로부터 오는 직사광선과 지구로부터 오는 복사열선을 차단하고, 관측 시에는 차양 쪽을 태양과 지구를 향하게 하고 관측한다. 온도 유지를 위해 발열을 막기 위해 11밀리와트급 초저전력 컴퓨터를 사용한다.
그런데 고정된 차양 하나로 태양빛과 지구빛을 동시에 차단해야 하므로 태양과 지구의 상대위치가 계속 변하는 지구중심궤도는 부적합하고 태양과 지구가 언제나 같은 방향에서 보이는 궤도에 있어야 한다. 그게 바로 '''태양을 공전하게 만드는 것이다.''' JWST의 궤도 반지름은 마치 지구가 태양을 공전하는 궤도를 반지름만 1%가량 확장한 수준이다.
[image]
'''바로 지구-태양의 L2 라그랑주점 근처다.''' L2 지점과 지구와의 거리는 약 150만 km로, 달까지의 거리의 3.9배 정도이고 지구 반지름의 235배, 허블 우주 망원경 고도의 2680배다. 이는 지구에서 나오는 적외선의 영향을 최소화하기 위해서 선택된 지점이라고 한다. 추가로, 기존 허블이 지구에 가려서 관측할 수 없는 시간대까지 무시하고 상시 관측을 진행할 수 있는 능력을 얻었다. L2 궤도를 유지하기 위해 지구 궤도에 올라가 있는 우주정거장들 같이 별도의 궤도 유지 추진체가 있으며, 추진체는 10년간 충분히 사용할 수 있는 용량의 분사 능력을 가지고 있다. 다만 이 L2 위치는 안정점이 아니어서 그냥 두면 태양풍의 압력과 중력의 영향으로 인해 점차 위치를 벗어나므로 궤도변동을 상쇄하는 위치유지에 가끔 추진 연료를 소모하는데 그 연료가 다하면 망원경의 사용 수명이 끝난다. 임무 기간/설계 수명은 5년이고, 목표 수명은 10년 정도로 잡고 있다. 냉각에 따로 헬륨 등 냉각제를 소모하지 않으므로 냉각재는 수명과 관계없다.
정확한 궤도는 딱 L2 지점은 아니고, L2 지점을 중심으로 지구의 공전궤도면과 직각인 궤도를 마치 바람개비나 바퀴처럼 남북 방향으로 돈다. 궤도 반경은 달의 공전궤도 반경보다 약간 큰 40만 km 정도이고, 공전주기는 6개월이다. 그래서 허블과는 달리 지구나 달의 그림자에 가리지 않고 항상 태양빛을 받아 태양전지로 2kW를 발전한다. 이런 궤도는 태양 입장에서 지구를 바라보면 햇무리나 광배 비슷해서 헤일로 궤도(Halo Orbit)라고 한다. 이 궤도의 좋은 점은 계절에 관계없이 지구에서 본 하늘에서의 위치는 일정하다는 것이다. 지구의 자전축이 기울어져 있어서 계절마다 변하는 고도를 궤도운동으로 상쇄하는 셈이다. 그래서 지구상의 일정한 위치에서 일정한 시간에 매일 교신하기에 유리하다
문제는, 너무나도 멀리 떨어져 있기 때문에 '''문제가 생기면 그대로 버려야 한다.''' 허블의 경우 문제가 발생하면 우주왕복선을 띄워서 수리를 할 수 있었지만, 제임스 웹은 너무 멀어서 불가능하다. 그래서 절대로 실패하지 않도록 여러겹의 안전장치를 하고 철저하게 시험해야 했기때문에 비용과 시간이 많이 들었다. 참고로, 케플러 우주 망원경도 2013년에 망원경의 구동부가 반쯤 고장났고, 이 때문에 천체를 제대로 조준할 수 없는 상태가 되었다. 수리가 불가능했기에, 이후 수명을 다할 때까지의 5년 동안은 남은 2개의 반작용 휠과 태양 복사압을 이용하여 눈물겹게 관측을 계속했다.
4. 장비
- Integrated Science Instrument Module (ISIM, 통합 과학 모듈)
ISIM은 제임스 웹 우주 망원경의 뼈대이자 JWST가 탑재하고 있는 중요장비 4기에 전력과 컴퓨팅 리소스, 냉각 및 구조적 안정성을 제공하며 소재는 그래파이트-에폭시[17]를 사용한다.
- Near InfraRed Camera (NIRCam, 근적외선 카메라)
NIRCam은 0.6~5㎛의 근적외선 파장을 탐지할 수 있으며 지상 천문 관측대의 파면측정장치의 역활을 맡으며 아리조나 대학교 주도로 개발되었다.
- Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec, 근적외선 분광기)
NIRSpec은 근적외선 0.6~5㎛ 범위의 파장을 3x3 각분 면적에서 검출하며, 프리즘을 사용하여 최대 100개의 물체에 대한 저분해능 모드, R~1000 다중 객체 모드, R~2700 일체형 필드 장치 또는 독립 고대비 스펙트럼 분석 모드 등 세 가지 관찰 모드를 제공하도록 설계되었으며, 또한 3D분광을 위한 통합 필드 장치(IFU)를 포함하고 있다.
- Mid-Infrared Instrument (MIRI, 중적외선 관측장비)
MIRI는 5~27㎛의 중적외선 파장 범위를 측정한다.
- Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS, 정밀유도센서/근적외선 이미지화 장치&에칠 분광기)
정밀 유도 센서(FGS)와[18] 근접 적외선 이미저 및 분광기(NIRISS)가 결합된 형태이며 0.8~5㎛의 근적외선 파장을 검출하며 미국과 다수의 유럽 국가들과 함께 JWST를 제작하기 위한 국제 프로젝트의 일환으로 캐나다 우주국 주도에 의해 개발되었다.
5. 목적
90년대 중반 열화와도 같은 우주론 열풍이 불며 더 멀리, 더 자세하게 관측하고자 하는 욕심이 들끓기 시작하면서 본격적인 심우주 관측 임무를 부여받게 된다.
현재의 우주망원경들이 관측할 수 없는, 혹은 힘든 z=10 이상의 천체의 관측과 빅뱅 직후 약 1억 년의 우주를 관측하는 것이 목표이다. 그러니까 이게 뜨기만 하면 기존의 초 원거리 은하, 퀘이사, 3종족 별들의 존재를 확인, 관측, 연구가 가능해진다.
5.1. 외계생명체 탐색
외계 행성 대기 분석을 통한 외계생명체 탐사
제임스 웹을 통한 외계 행성 대기 분석
갈릴레오(탐사선) 문서에 적혀 있듯이, 제임스 웹 망원경을 사용하여 대기 분석을 통한 외계생명체 탐사를 할 계획이라고 한다. 외계 행성의 대기 구성 성분에서 메탄과 산소 같이 공존이 불가능한 대기 성분이 대량 발견되면 생명체가 존재한다고 판단하는 것이다. SETI 같은 기존의 방법이 고도의 문명이 발달한 지능이 있는 외계생명체만 발견할 수 있는 반면에, 제임스 웹 우주 망원경은 원시적인 생명체라도 행성 대기 구성 성분에 영향을 줄 수 있을 정도로만 번성하면 발견할 수 있다. 지구에서 생명체가 번성한지 수억~수십억 년이고, 인류가 전파를 사용하기 시작한 것은 수십 년밖에 되지 않았다는 것을 생각하면 제임스 웹 우주 망원경은 SETI와 비교하여 외계생명체의 발견 확률을 수천~수만 배 올릴 수 있다. 대기 구성 성분을 파악하고, 대기 분포가 비정상적이라는 것을 확증하는 데 시간이 좀 걸린다는 점을 생각해도, 2020년대가 지나기 전에는 외계생명체에 대한 획기적인 발표가 나올 수 있다. 이미 2021년이다
6. 문제점
6.1. 돈 먹는 하마
허블의 폐기 예정은 2013년이었건만 아직까지 잘 만 움직이고 있다. 왜 그런지에 대해서는 아래 표를 보면 이해할 수 있다.
20년 전 원래 계획을 세울 때는 5-10억 달러 정도의 중규모 예산 프로젝트였는데, 지금은 아직 발사도 안 했는데 총 비용이 거의 100억 달러에 육박하는 거대한 돈 먹는 하마 프로젝트가 되었다. 미국 정부의 과학연구 프로젝트로는 역사상 가장 규모가 큰 프로젝트이다. 참고로 허블 망원경은 10억 달러 좀 넘을 걸로 예상했지만 실제로는 발사 때까지 총 26억 달러가 들었고, 20년간 다섯 차례의 수리비와 운영비까지 합치면 전부 96억 달러 정도 들었다.
JWST의 예상 총 비용[19]과 발사예정일의 추이를 보면 계획의 초기인 1990년대 말에는 예산 10억 달러에 2007년 발사예정이었다. 하지만, 10년이 지난 2000년대 말에는 예산이 50억 달러로 증가했고 발사 예정도 2014년으로 미뤄졌다. 2013년에는 더욱더 불어나서 예산이 88억 달러로, 발사 예정은 2018년으로 변경되었다. 2018년이 되자 조립과 시험에 더 많은 시간이 소요되어 2019년 3월-6월로 반년가량 연기되었다가, 다시 2020년 5월로 연기되었다. 뿐만 아니라 시험 중에 발견된 문제로 2021년 3월로 연기, 코로나-19 때문에 다시 2021년 10월 31로 연기되었다. 소요예산은 더 늘어 거의 '''100억 달러'''에 근접할 전망이다. 이게 얼마나 말도 안 되는 비용이냐 하면, '''LHC에 들어간 돈보다 더 많다'''(...). 발사 후에는 5년간 운영에 총 8억 달러 정도 소요될 것이다. 정말 예상비용이 눈더미처럼 불어났고, 시간은 시간대로 잡아 먹고 있다.
이게 얼마나 비싼 금액인지 금값으로 환산해보자면 비용인 100억 달러를 망원경 전체 무게인 6500 kg으로 나누고 현재의 금값과 비교해보면 대략 20 배 정도다. 즉 무게당 금보다 20 배 비싼 6.5 톤짜리 과학 기구이다. 말을 바꾸면 비용으론 순금 130 톤을 우주에 쏘아 올리는 거다. 130톤이면 대충 중형 승용차 (현대 쏘나타 2.0 기준) 90대 정도의 무게이고 스포츠카 포르쉐 911 3.0 이면 110 대가 넘는 무게이다. 순금으로 만든 포르쉐 110대를 쏘아올리는 셈. 막상 반사경 코팅에 들어간 순금은 불과 48 그램 정도로 금반지 13개 정도 분량이다.
이렇게 비용과 기간이 크게 늘게된 건 허블의 대성공에 고무되어 그 후속으로 지나치게 야심적으로 목표를 세우다 보니 아직 성숙하지 않은 많은 첨단기술을 써야 했고, 그래서 목표하향, 설계변경이 잦았고 예산을 독식하니 NASA 내부에서나 천문학계 전반에서도 반대가 적지 않았다. 일종의 2년차 증후군이랄까... 장기 과학개발 프로젝트가 해서는 안 되는 실수의 반면교사가 된 느낌.
그리고 허블 망원경 때도 큰 실수를 해 수리한 전력이 있는데, '''JWST은 발사하고 나면 수리나 보충도 불가능해서 이 거액을 한 번에 날릴 가능성도 있다.''' 또, 무려 25년간 노인학대 중인 허블 망원경에 비해 운영 수명도 최대 10년 정도로 비교적 짧은 편이라 비싼 돈 값을 할 수 있을지 의문이다. 그 돈으로 다른 중소 규모 프로젝트 여러 개나 다양한 지상 망원경 건설에 분산투자 하는 게 과학적 결과 생산에 더 나을 수도 있다. 지상 망원경은 최신 최대 광학 망원경인 TMT 30m 망원경도 10억 달러 정도, 가장 건설비가 많이 든 ALMA 전파망원경도 15억 달러 정도이다. 운영 수명은 당연히 비교를 불허한다.
결국 이 어마어마한 금액과 근 15년을 발사 연기를 거치자 2011년 결국 청문회가 열렸고, 미국 의회는 NASA에 대한 예산 삭감과 JWST의 취소라는 칼을 꺼내들게 된다. JWST을 포기할 수 없었던 NASA는 JWST을 제외한 많은 수의 다른 우주과학 프로젝트들이 취소되거나 연기되는 사태에 이르게 되어 학자들 사이에서도 원성이 높다. 그 사이에 JAXA나 ESA가 소행성 탐사 같은 비교적 돈이 덜 드는 실속 있는 프로젝트들로 폭풍같은 성장을 이루는 것을 그저 손가락 빨며 지켜보는 것 외에는 할 수 있는 게 없는 최악의 사태에 이르게 되었다.
예산 초과와 연기에 대한 국민적 불만과 학계의 불안감을 무마하려고 홍보용 실물 모형을 만들어 순회 전시를 한다든가, 작업 과정과 작업의 완료 상황을 홈페이지에서 실시간으로 중계하게 되는 의외의 사태까지 발생하며 '그래도 완성은 되긴 하나 보다.'라는 생각이 들게 만들긴 했다.
[image]
시간 맞춰서 홈페이지에 가면 엔지니어들이 뛰어다니는 모습도 볼 수 있다. 참고로 작업공간은 세계에서 가장 큰 클린룸. 대충 격납고 안에서 만드는 것 같지만 저래 보여도 저 안에서 대화를 하는 것만으로 반사경에 영향이 오는 것을 측정할 수 있는 정도의 정밀도로 작업이 진행된다고.
2016년 11월 광학 부분이 완성되었다.
2019년 8월 말 '''전체 조립이 완료되었다.'''
하지만 2020년 1월, 과학학술매체인 더 버지는 NASA가 2021년 3월에 발사할 가능성이 12%밖에 안 된다고 보았으며 # 결국 2021년 10월 31일로 발사가 연기되었다.
6.2. 지상 초거대 망원경의 발달
망원경들의 구경 비교. 제임스 웹 망원경의 구경은 왼쪽 맨 아래에 있다.
프로젝트가 시작된 지 너무 오랜 시간이 지나다 보니 다른 초대형 망원경 프로젝트들이 발족, 실현이 되어 가면서 JWST의 위용이 점점 추락하는 듯한 느낌이 난다.
현재 진행되고 있는 초거대 지상 망원경 프로젝트들의 완공 예정 시기를 보면 대한민국도 참여하고 있는 거대 마젤란 망원경 GMT가 2025년, 유럽 초거대 망원경 EELT - 2024년, 30m 망원경 (TMT) - 2024년에 각각 완공 예정이다. 이 거대 망원경들은 지상 망원경인지라 JWST보다는 불리한 점도 있지만, 그동안 발전된 여러 새로운 기술로 그 단점을 보완하고 있고 지상에 있는 망원경이 가지는 수많은 장점 역시 무시할 수 없다. 비교하기도 참 거시기하지만 이 셋을 다 합쳐도 JWST보다 한참 저렴하다.
그리고 이렇게 우물쭈물하는 사이, 푼돈(?)인 7억 달러짜리 페르미 감마선 우주 망원경이 2008년에 가동되자마자 엄청난 성과를 올리기 시작하였다. 또한 2013년 연말에 비슷한 궤도에서 천체지도 작성 임무를 수행하는 가이아 우주 망원경[20]이 발사, 2014년 임무를 시작하면서 제임스 웹의 존재와 입지가 더욱 위험하게 되었다. 버리기엔 이미 너무 많이 왔기 때문에 NASA는 오로지 이쪽에 목숨을 걸어야 하는 상황이 되어버렸다.
7. 기타
- 제작소에서 관람객들이 크고 아름다운 반사경을 관람하는 모습이 화제가 되었다. JWST 연구원 Amber Straughn의 트윗
>Even though the United States doesn't have anything that can do the Kessel Run in less than 12 parsecs, we've got two spacecraft leaving the Solar System and we're building a probe that will fly to the exterior layers of the Sun. We are discovering hundreds of new planets in other star systems and building a much more powerful successor to the Hubble Space Telescope that will see back to the early days of the universe.'''원본 출처
>
>비록 미합중국에는 케셀 런을 12 파섹 내에 돌파할 수 있는 우주선은 없지만, 우리에게는 태양계를 벗어난 두 대의 우주선이 있으며 태양 표면을 향해 쏘아보낼 탐사선이 제작 중에 있습니다.[21] 우리는 수백개에 달하는 다른 항성계의 새로운 행성들을 발견해 내고 있으며 탄생 초기 우주를 관측할 허블 우주 망원경의 강력한 후계기도 만들고 있습니다.번역본 출처
>
>비록 미합중국에는 케셀 런을 12 파섹 내에 돌파할 수 있는 우주선은 없지만, 우리에게는 태양계를 벗어난 두 대의 우주선이 있으며 태양 표면을 향해 쏘아보낼 탐사선이 제작 중에 있습니다.[21] 우리는 수백개에 달하는 다른 항성계의 새로운 행성들을 발견해 내고 있으며 탄생 초기 우주를 관측할 허블 우주 망원경의 강력한 후계기도 만들고 있습니다.번역본 출처
8. 관련 문서
[1] 몇 번이나 밀리고 밀려서 2018년 10월 발사가 확정되었으나 ESA-JAXA 합작 수성 탐사선 베피콜롬보 미션 발사가 같은 달에 아리안 5로 예정되어 있는 등의 이유로 다시 연기 가능성이 제기되었고, 결국 2017년 9월 말에 반년 정도 연기된다는 발표가 나왔다. 그리고 2018년 3월 27일부로 다시 1년 미뤄진 2020년 5월에 발사한다는 발표가 나왔다. 그러나 2018년 6월 27일부로 2021년 3월 30일로 또 연기되었다. 현재는 코로나19 여파로 아예 기약이 없게되었다.[2] Europe Space Agency[3] Canadian Space Agency[4] Space Telescope Science Institute[5] 근적외선 카메라[6] 근적외선 분광기[7] 중적외선 관측장비[8] 근적외선 이미지화 장치&에칠 분광기[9] Fine Guidance Sensor. 보통은 정밀유도센서로 해석한다.[10] 데이터 수집시[11] TT&C시 사용[12] 매우 먼 거리에 있는 심우주 천체들은 빛이 고무줄처럼 늘어나는 적색편이 현상으로 인해 가시광선보다는 적외선에서의 관측이 더 용이하며, 심우주 천체 관측을 방해하는 각종 우주 먼지들을 무시할 수 있다는 장점도 있다.[13] 알루미늄이나 은을 씌우는 광학 망원경과 달리 적외선 망원경은 금을 씌운다. 금이 적외선을 매우 잘 반사하기 때문이다. 금은 두께 0.0001mm 미만의 엄청나게 얇은 박으로 만들 수 있기 때문에 생각보다 그리 비싸지 않다. 반사경 하나당 3g, 다 합쳐도 결혼반지 10개 정도의 금이다. [14] 포물면 거울을 쓰는 망원경은 코마수차 때문에 유효시야가 좁다. 코마수차를 줄이면 유효시야는 넓어진다.[15] 5회에 달하는 서비스 미션을 통해 자외선 영역까지 관측할 수 있도록 업그레이드가 되기는 했다.[16] 멀리 있어서 적색편이가 큰 천체나 작고 어두운 갈색왜성 등은 적외선을 관측하는 게 가장 좋고, 또 적외선은 우주먼지 등에 의한 감쇠가 적어 먼지를 뚫고 멀리까지 볼 수 있기 때문이다.[17] graphite-epoxy, 흑연 에폭시[18] FGS는 망원경의 자세를 제어하고 천체 이미지의 정확함을 위해 스티어링 미러를 구동하는데, 이를 위해서 필요한 장비다.[19] 비용은 기술개발비와 연구원, 엔지니어 임금, 자재비, 제작비 등을 모두 합친 금액이다.[20] 자세한 측정과 천체지도 작성이 주 임무기 때문에 직접 사진 관측을 주 임무로 하는 제임스 웹 망원경과는 구조나 기능이 다르다.[21] 파커 태양 탐사선은 해당 청원 답변 작성일인 2012년 11월로 부터 약 6년이 지난 2018년에 발사 되었다.