제임스웹우주망원경

제임스웹 우주망원경은 약 6.5 미터의 주경을 가진 대형 적외선 우주 망원경으로 JWST 또는 Webb 으로 불린다. 2002년 9월 미국 항공우주국(NASA)의 전 국장 James Webb의 이름이 붙여지기 전에는 '차세대우주망원경(Next Generation Space Telesc, NGST)'으로 알려져 있었다. 발사는 예산 배정과 몇가지 문제로 수차례 발사가 지연이 되었으나 드디어 2022년 12월 25일 발사되었다. 1996년 차세대우주망원경 사업의 제안 이후 2002년 디자인을 변경하면서 제임스웹우주망원경으로 이름을 변경하게 되었다. 이 망원경은 노후화로 수명을 다해가는 허블망원경의 역할을 개선된 기술로 이어갈 예정이다.

그림 1. 구성 요소를 모두 갖춘 제임스 웹 우주망원경.(출처: )

목차

JWST는 미국 항공우주국(NASA), 유럽 우주국(ESA), 그리고 캐나다 우주국(CSA)이 협력하여 진행하는 프로젝트이다. 각 국가별 주요 임무를 살펴보면, NASA는 JWST 의 전반적인 개발과 임무와 책임, ESA는 근적외선 분광기(NIRSPec), 중적외선검출기(MIRI), 미세유도센서/근적외선 이미저 및 분광기(FGS/NIRISS)의 광학계 조립과 발사체 임무를 수행, CSA는 미세 유도 센터와 근적외선 이미지 및 슬릿을 사용하지 않는 분광기 개발을 담당한다. 협력국가내 관련 연구소와 학계, 사업파트너뿐만 아니라 전세계적으로 14개국의 306개소에 달하는 기여 기관이 있다.

JWST를 위해 몇 가지 혁신 기술이 개발되었다. 지름이 6.5m에 달하는 주경은 육각형 모양을 한 조각 거울 18개의 조합으로 구성되고, 접힌 채로 로켓에 실려 발사되어 망원경이 궤도에 안착한 후 펼쳐져 원래 모양을 갖추게 된다. 거울은 초경량 베릴륨으로 제작되었다. 테니스 코트 크기의 5겹으로 구성된 태양열 차폐막은 태양으로부터 받는 열을 100만분의1 이하로 줄여, 적외선 파장 대역에서의 약한 신호를 감지할 수 있도록 도와준다.

JWST 는 가장 안정적인 발사체 중의 하나인 Ariane 5 로켓으로 2021년 12월 24 프랑스령 기아나의 쿠루(Kourou)에서 발사되었다. 이곳은 적도에 가까워 시속 1,670 km의 지구 자전에 의한 추진력을 얻을 수 있다.

지구 저궤도(low-earth orbit)에서 지구를 공전하는 허블우주망원경과 달리, JWST는 라그랑지점(L2) 근방에서 태양을 공전하기 위해 발사후 30일 동안 이동하게 된다. L2 지점은 지구에서 150만 km 떨어져 있고, 태양과 지구를 잇는 일직선 상에서 태양을 공전하게 된다. 이러한 공전궤도의 특성과 대형 태양열 차단막으로 태양, 지구, 달에 의한 열 영향을 최소화하여 관측 효율을 높일 수 있다.

18세기 수학자였던 라그랑지(Joseph-Louis Lagrange)는 3개의 물체가 서로 궤도를 돌면서 서로에 대해 동일한 위치를 유지 할 수 있는 5개의 안정된 위치 솔루션을 찾았다. 이들 지점은 일직선 위에 놓이는 L1, L2, L3와 정삼각형 점에 놓이는 L4, L5인데 이들의 위치를 발견자 이름을 따라 라그랑지점이라 부른다. JWST는 달보다 훨씬 먼 지구에서 150만 km 떨어진 L2 라그랑지점에서 크게 벗어나지 않으면서 태양 주위를 공전한다. JWST는 호주, 스페인, 캘리포니아에 위치한 3개의 대형 안테나와 지속적으로 통신하여 관측을 주문하고 데이터를 내려 받게 된다.

그림 2. Ariane 로켓 내부에 담길 JWST 모습(출처: )

JWST는 6.5 미터의 구경, 집광부의 면적은 25.4 m², 초점거리는 131.4 미터이다. 관측파장대역은 0.6~28 µm 이다. 극도로 약한 적외선 파장의 신호를 감지할 수 있도록 설계된 통합과학기기모듈(Integrated Science Instrument Module, ISIM )을 갖추고 있다. 이 기기모듈은 총 4개의 관측기기로 구성되어 있다. 중적외선 검출기(MIRI), 근적외선 분광기(NIRSpec), 근적외선 카메라(NIRCam) 그리고 미세 유도 센서/근적외선 이미저 및 무슬릿 분광기(FGS-NRISS)가 여기에 해당한다. NIRSpec에는 프로그래밍 가능한 마이크로셔터가 있어서 동시에 100개의 천체 스펙트럼을 얻을 수 있다. 그리고 MIRI의 감도를 높이기 위해 7 K로 유지 하기 위한 저온 냉각기도 포함된다.

JWST는 135억년 너머의 초기 우주에서 최초의 별과 은하를 검출하는 적외선망원경이다. JWST은 4가지 주요 과학 미션 테마를 통해 우주와 우리의 기원을 이해하는데 거대한 도약을 이룰 것으로 기대된다. 4가지 주요 과학 미션은 다음과 같다. 1) 고감도의 적외선 검출 능력을 통해 초기 은하들의 특징과 이들이 은하단과 초은하단으로 모여가는 과정을 이해한다, 2) 가시광선에서는 가려졌던 거대한 먼지 구름 너머의 별과 행성계의 탄생 모습을 높은 감도의 적외선 관측으로 확인한다, 3) 외계 행성의 대기와 지구 밖에서 생명체의 구성 요소를 찾는다, 4) 우리 태양계와 외부 행성계에 대한 비교 연구를 수행한다.