허블우주망원경

허블우주망원경은 미항공우주국(NASA)에서 개발한 천문관측용 우주망원경이다. 1990년에 우주왕복선에 의하여 고도 559 km의 저궤도에 오른 뒤, 다양한 천체들을 사진 촬영하고, 분광 관측함으로써 천문학 발전에 지대한 공헌을 하고 있다. 구경 2.4 m의 반사망원경을 탑재하고 여러 가지의 관측기기를 통하여 자외선부터 근적외선까지의 영역에서 관측해오고 있다. 그동안 우주왕복선들로부터 다섯 차례의 정비를 받아서 장비와 관측기기들이 교체되어왔으나, 이제 더 이상의 정비는 없으므로 곧장 수명을 마치게 된다. 후속으로 차세대 우주망원경인 제임스웹우주망원경(James Webb Space Telescope)이 적외선 관측을 이어갈 예정이다.

그림 1. 허블우주망원경의 모습(출처: )

목차

허블우주망원경의 개발은 미항공우주국이 1969년에 구경 3 m의 우주망원경을 개발하는 방안을 추진하면서 시작되었다. 그러나 예산을 고려하여 구경 2.4 m로 축소되었고, 유럽 우주국(ESA)도 참여하게 되었다. 한참 제작 중이던 1986년에 일어난 챌린저 우주왕복선의 폭발사고로 모든 우주 프로그램이 중단되었는데, 허블우주망원경도 한동안 창고에 보관되었었다.

주 반사경의 재질은 극저팽창(ultra low expansion) 유리이고 퍼킨스엘머사(Perkin-Elmer)에서 가공하였다. 우주선은 록히드사에서 제작하였다. 완성된 허블우주망원경은 마침내 1990년 4월 24일에 우주왕복선 디스커버리호에 실려서(우주왕복선 임무번호 STS-31) 궤도에 올려졌다. 이 궤도는 고도 559 km에서 이심율이 0.000283인 원에 가까운 타원 궤도이며 궤도기울기는 28.47도이다. 지구주위를 한 바퀴 도는 주기는 95.47분으로서, 초속 7.59 km으로 하루에 지구 주위를 15.08 바퀴를 돈다.

망원경은 구경 2.4 m의 주 반사경이 탑재된 리치-크레티앙식 반사망원경이다. 집광력은 4.5 @@NAMATH_INLINE@@m^{2}@@NAMATH_INLINE@@이고, 자외선부터 가시광선과 근적외선까지의 넓은 영역에서 관측이 가능하다. 오목한 주 반사경과 볼록한 부 반사경 모두 포물면으로 이루어져 있고, 초점은 주 반사경의 뒤에 맺히는 카세그레인 방식으로, 초점비는 f/24이고 초점거리는 57.6 m이다.

1990년에 궤도에 올려진 후 곧바로 망원경에 결함이 있음이 밝혀졌었다. 매우 흐릿한 영상을 보내왔었는데, 그 원인을 파악해보니 주반사경의 경면이 설계치와 다르게 만들어졌다는 것을 알게 되었다. 주반사경의 경면 정밀도를 검사하는 측정기에 문제가 있었던 것이다. 비구면인 주반사경을 시험할 때에 구면으로 보정해주는 영점수정기(null corrector)를 끼워서 사용하게 되는데, 이 영점수정기가 제대로 만들어지지 않았던 것이다. 결과적으로 극심한 구면수차를 보이는 망원경이 되었다.

구면수차를 교정하기 위해서 보정광학계(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement, COSTAR)라는를 제작하여 허블우주망원경에 설치하였다. 1993년 12월 2일~13일에 첫 번째 정비임무(service mission)를 수행할 때에 COSTAR를 우주왕복선에 싣고 가서 장착하였다. 이로써 허블우주망원경은 훌륭한 영상들을 얻을 수 있게 되었다.

그림 2. COSTAR 장착 전과 후의 별사진. 주 반사경이 제대로 만들어지지 않아서 극심한 구면수차를 보였으나, COSTAR를 장착하여 보정하였다.(출처: )

허블우주망원경은 모양이 원통형이고 길이가 13.2 m이고 지름이 4.2 m이다. 초기 중량은 11,110 kg이고 사용 전력은 2,800 와트이다. 이 우주선은 크게 세 부분으로 이루어져 있는데, 망원경부, 관측기기부, 운영지원부이다. 망원경부는 구경 2.4 m의 주반사경과 구경 0.3 m의 반사경, 그리고 부속 부품들로 이루어져 있다. 부속 부품들로는 주 반사경을 잡고 있는 링 부품, 부 반사경을 지지하는 부품, 이들을 연결하는 트러스 구조가 있으며, 시야의 밖에서 들어오는 잡광을 차단하는 빛 차단용 원통과 3개의 배플(Baffle), 그리고 입구에 달려있는 뚜껑이 있다.

시시디(CCD) 카메라와 분광기 등을 설치하는 관측기기부는 카세그레인 초점면이 있는 주 반사경의 뒤에 위치해 있다. 여러 개의 관측기기를 동시에 설치하고 교체하기도 쉽도록 피자 파이의 조각들처럼 만들어졌다. 보정광학계인 COSTAR도 이곳에 설치되었다.

운영지원부에는 자세제어유닛, 전력공급 유닛, 지상통신유닛 등이 있다. 자세제어유닛은 이 인공위성의 궤도를 유지하고 관측하고자 하는 천체를 향해 정밀하게 지향하도록 하는데, 별들의 위치를 측정하는 스타 트레커(Star tracker)와 자이로(Gyro), 자력계(Magnetometer), 자기 토커(Magnetic torquer)들을 이용한다. 전기를 생산하는 태양전지판은 이 인공위성의 본체 양 옆에 하나씩 설치되어 있는데, 교체를 쉽게 할 수 있도록 동그랗게 말 수 있게 되어있다. 지상통신유닛에는 고이득 안테나 2개와 저이득 안테나가 2개씩 양쪽 끝에 위치해 있다. 이 외에도 구조부(structure), 탑재 컴퓨터, 전기전자 유닛들과 추진체 등이 포함된다.

그림 3. 허블우주망원경의 구조(출처: )

허블우주망원경은 5개의 관측기기를 장착할 수 있으며, 카메라와 분광기들이 주로 설치되었다. 초기에 설치된 1세대 관측기기는 Wide Field and Planetary Camera(WFPC), Goddard High Resolution Spectrograph(GHRS), High Speed Photometer(HSP), Faint Object Camera(FOC), Faint Object Spectrograph(FOS)이다.

WFPC에는 광시야 관측용와 행성관측용 카메라 2대가 있다. 관측파장 범위는 115 nm ~ 1 um로서 자외선부터 근적외선까지 관측하고 48개의 필터가 들어있다, 각각의 카메라에는 800x800 화소의 CCD 칩이 4개씩 배열되어 있다. 광시야 카메라의 초점비는 12.9, 시야각은 2.6 x 2.6 분각(arcminute)이므로 화소당 0.1 초각(arcsecond)에 해당된다. 행성관측용 카메라는 초점비 30, 시야각 66 x 66 초각으로서 화소당 0.043 초각이다. 캘리포니아공대의 James A. Westphal이 1976년에 제안하였고 Jet Propulsion Laboratory(JPL)이 개발하였다. 이것은 1993년 12월의 첫 번째 정비임무에서 WFPC2로 대체되었다.

GHRS는 파장범위 105~320 nm의 자외선 분광기인데, 여러 분산값으로 관측할 수 있다. 120 nm의 파장에서 저분산은 R 2,000으로 0.6 Å 까지 파장을 분리하여 도플러 속도로 초속 150 km까지 관측할 수 있고, 중분산은 R 20,000, 0.06 Å, 15 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1까지 관측하며, 고분산은 R 100,000, 0.012 Å, 3 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1까지 관측이 가능하다. 고다드 우주센터에서 개발하였으며, 대표적인 성과로 1995년에 목성의 위성인 에우로파에 희미한 대기가 있으며 주로 산소 분자로 이루어져 있음을 밝혀냈다. GHRS는 1997년 2월의 두 번째 정비임무인 STS-82 중에 Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer(NICMOS)로 교체되었다.

FOC는 유럽우주국(ESA)이 개발했고, FOS는 캘리포니아대학(UC 산디에고)와 Martin Marietta사가 공동으로 제작했으며, HSP는 가시광선과 자외선 영역에서 변광성을 관측하는 데, 측광 정밀도 2% 이내에서 초당 100,000번 측정이 가능하도록 Wisconsin-Madison 대학에서 개발하였다. 이 외에도 천체를 정밀하게 지향하도록 하는 3대의 Fine Guidance Sensor가 있는데, 위치 정밀도가 0.0003 초각으로서 위치천문학에도 활용되었다.

허블우주망원경은 우주왕복선에 의해 5번의 정비를 받으며 관측기기도 수리하고 교체하였다. 2009년 이후에는 더 이상의 정비임무를 수행하지 않고 있으며 수명이 다 하면 폐기될 것이다. 정비임무의 내역은 아래의 표와 같다.

그림 4. 허블우주망원경의 정비임무와 교체된 관측기기(출처: 김영수/한국천문학회)

첫 번째 정비임무인 STS-61은 발사 3년 후인 1993년 12월에 인데버(Endeavour) 호에 의해 10일간 진행되었다. 가장 중요한 임무로는 주 반사경의 구면수차를 보정하는 광학계인 COSTAR를 설치하는 일이었다. 이를 위해서 7명의 우주인이 100가지의 특별한 도구를 사용하는 훈련을 받았고, 그 중 Musgrave와 Hoffman이 HSP를 들어내고 그 자리에 COSTAR를 장착하는 임무를 수행하였다. 그리고 관측기기 WFPC는 WFPC2로 교체되었는데, WFPC의 부품들은 나중에 WFC3에 다시 활용되었다. 그 외 다른 부분들도 교체되었는데, 태양전지판과 그 구동전자유닛, 망원경을 지향하는 데 사용되는 4개의 자이로스코프와 2개의 자기력계(magnetometer), 제어전자 유닛들이다. 탑재 컴퓨터는 프로세서를 추가하여 성능을 높였다.

그림 5. COSTAR 교체 장면(출처 : )

두 번째 정비임무 STS-82는 1997년 2월에 디스커버리호에 의해 행해졌다. 관측기기 중에서 GHRS와 FOS 대신 Space Telescope Imaging Spectrograph(STIS)와 Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer(NICMOS)를 투입했다. NICMOS에는 열잡음을 줄이기 위해 고체질소가 들어있는데, 예기치 않은 열팽창으로 열전도체가 광학 배플과 닿아서 고체질소가 빨리 소진되었다. 이로써 예상 수명인 4.5년을 채우지 못하고 2년 만에 종료되었으나, 정비임무 3B에 다시 사용할 수 있게 하였다.

세 번째 정비임무 STS-103은 1999년 12월에 디스커버리호에 의해 이루어졌다. 자이로스코프 6개 모두와 Fine Guidance Sensor를 교체하였고, 컴퓨터도 20배나 빠른 것으로 교체하면서 기억장치도 6배로 늘렸다. 그 외에도 배터리가 과충전되는 것을 방지하는 키트를 설치하고 열차단막을 교체하였다. 관측기기는 교체되지 않았다.

네 번째 정비임무 STS-109는 2002년 3월에 콜럼비아호에 의해 수행되었는데, 초기 관측기기 중 마지막 기기인 FOC를 제거하고 Advanced Camera for Surveys(ACS)를 장착하였다. 그리고 NICMOS에 냉각기를 설치하여서 다시 사용할 수 있게 하였고, 두 번째로 태양전지판을 교체하여서 전력이 30% 늘어났다.

ACS는 3개의 독립적인 카메라 채널인 Wide Field Channel(WFC), High-Resolution Channel(HRC), Solar Blind Channel(SBC)으로 자외선부터 근적외선까지 넓은 파장 영역에서 넓은 시야와 높은 양자효율을 가지고 있다. 이로써 태양계의 혜성과 행성들로부터 가장 멀리 있는 퀘이사 까지 다양한 천문 현상을 최상의 상태로 볼 수 있게 되었다.

WFC는 파장영역이 350 ~ 1100 nm이고 2k x 4k의 CCD 칩 2개를 붙여서 사용하여 시야가 202 x 202 초각이고, 화소 크기는 15 um로서 화소당 0.05 초각에 해당된다. WFC를 이용하여 우리은하의 중심부에서 16개의 외계행성 후보를 발견하였다.

HRC이 2003년 화성과 가장 가까운 거리인 충(opposition)일 때에 촬영한 사진은 지구에서 촬영한 화성 영상 중에서 가장 선명한 것이다. 화소 하나당 거리가 8 km로서 충돌구와 표면의 무늬가 뚜렷이 보인다. CCD는 1k x 1k이고 시야는 26 x 29 각초이어서 ACS에 비해서는 시야가 훨씬 작지만, 화소당 시야는 0.025 각초로서 2배의 해상도를 가지고 있다. Coronagraphic 마스크를 두 개 가지고 있는데, 중심을 원형으로 가리는 1.8 각초와 모서리에서 0.8 x 5.0 각초를 가리는 막대모양이 있다.

SBC는 파장범위가 115~170 nm로 자외선영역에 특화되어 있고 배경잡음이 매우 낮은 광자계수기(photon-counting device)인데, Multi anode microchannel array로 만들어졌다. 시야는 25 x 25 초각이고 화소당 시야는 0.030 초각이며, STIS의 여분으로 만들어졌다.

그림 6. ACS/HRC로 찍은 화성(출처: )

다섯 번째이자 마지막 정비임무인 STS-125는 2009년 5월에 아틀란티스호에 의해 이루어졌다. WFPC2 대신 Wide Field Camera 3(WFC3)를 장착하고 COSTAR 대신 Cosmic Origins Spectrograph(COS)를 설치하였다. 그리고 추후에 안전하게 폐기할 수 있도록 하기 위하여 포획장치(Soft capture and rendezvous system)를 부착하였다. COS는 자외선 영역인 115~320 nm에서 분해능 1,550~24,000의 성능을 가지고 있다. 이것은 콜로라도 볼더대학과 볼 에어로스페이스(Ball Aerospace)사가 공동으로 개발하였다.

HST는 현재까지의 망원경 중에서 가장 성능이 좋은 훌륭한 기기로서, 천문학적인 발견과 발전에 지대한 공헌을 하고 있다. 대표적인 업적을 몇 가지 나열해본다.

O 세페이드 변광성의 거리를 정확하게 측정하여 허블 상수의 오차를 종전의 50%에서 ±10%로 줄였다. 우주의 나이는 과거 100억년~200억년으로 추정되었었는데, 허블우주망원경을 이용한 관측 덕분에 137억년으로 나이가 정확히 산정되었다.

O 매우 멀리 있는 초신성의 관측결과 우주는 가속팽창하고 있는 것으로 밝혀졌는데, 이와 관련한 연구자 3명이 노벨상을 수상했다.

O 은하들의 중심핵에 블랙홀이 존재하는 것을 확인하였다.

O 1994년 7월에 목성으로 슈메이커-르비9 혜성이 끌려 들어가는 것을 뚜렷하게 볼 수 있었다.

O 오리온 성운에서 초기행성 원반(Proplyd)을 발견하여 외계행성의 존재를 증명하였다.

O 기존에 알고 있는 천체와는 전혀 성질이 다른 SCP 06F6을 발견하였다.

이 외에도 무수히 많은 새로운 발견과 기존 가설을 검증하는 연구가 행해지고 있다. 관측한 자료들은 1년 후에 일반에 공개된다.

한편으로, 태양계 행성들부터 초신성, 성운, 성단, 은하, 매우 멀리 있는 은하단 등 다양한 천체들에 대해 선명하고 아름다운 영상을 보여줘서 일반인들에게도 우주의 신비를 전파하였다. 여기에 대표적인 영상을 몇 개 소개한다.

그림 7. 1994년 7월에 Shoemaker-Levy 9 혜성이 목성에 충돌하는 장면. WFPC2로 촬영했다.(출처: )

그림 8. 1995년에 WFPC2로 관측한 독수리 성운(M16). 먼지 구름들에서 별들이 탄생한다.(출처: )

그림 9. 2004년에 ACS와 STIS로 촬영한 토성의 오로라. 토성의 남극에 발생한 오로라가 며칠 사이에도 급변하는 것을 볼 수 있다.(출처: )

그림 10. 2014년에 ACS와 WFC3로 찍은 Hubble Ultra Deep Field. 무수히 많은 은하들을 볼 수 있다.(출처: )

HST는 2009년에 마지막 정비를 받은 후에 2017년 현재까지 큰 고장 없이 운용되고 있다. 그렇지만 더 이상의 정비를 받지 못하게 되어, 언젠가는 수명을 다 할 것이다. 그렇지만 그 후속으로 더 큰 우주망원경을 개발하고 있다.

구경 6.5 m의 James Webb Space Telescope(JWST)는 2018년에 발사될 예정인데, 중력적으로 안정된 지점인 태양-지구 간의 라그랑지 포인트 L2에 위치하게 될 것이다. 지구에서 태양의 반대쪽 방향으로 150만 km 떨어진 L2에는 이미 허셸, 플랑크, 가이아 등의 우주선이 위치해 있는 곳이다. 크기는 보잉737 비행기와 필적할만한 20.2 m x 14.2 m이고, 발사 무게는 6,500 kg, 사용전력은 2,000 와트이다. 설계 수명 5년에 목표수명 10년으로, 노스럽 그럼맨사와 볼 에어로스페이스사가 제작하고 있다.

주 반사경은 폭 1.3 m의 육각형 모양의 반사경 18장을 배열해서 만드는데, 발사할 때에는 로켓에 넣을 수 있도록 세 부분으로 접는다. 주반사경과 부반사경을 연결하는 구조부와 태양열 차단막들도 발사 후에 펼치도록 되어있다. 관측 파장은 적외선 영역인 0.6~10+ um으로서, 온도 @@NAMATH_INLINE@@50^{o}@@NAMATH_INLINE@@K(@@NAMATH_INLINE@@-223^{o}@@NAMATH_INLINE@@C) 이하로 유지한다. 4개의 관측기기가 탑재되는 데, 근적외선 카메라, 근적외선 분광기, 중적외선 카메라 겸 분광기, 정밀유도 센서 겸 근적외선 영상기 겸 슬릿 없는 분광기이다.