우주 망원경의 모든 것

[白山 김기수]

지구를 둘러싼 대기는 가혹한 우주에서 생명체가 살 수 있게 감싸주는 포근한 이불이다. 그런데 이렇게 고마운 이불을 눈엣가시처럼 여기는 배은망덕한 생명체가 있다. 바로 천문학자들이다. 천문학자들의 대기혐오증(?)은 망원경을 점점 더 외진 곳으로 보내왔다. 야간조명이 늘어난 뒤로는 도시에서 탈출해 높은 산으로 올라갔지만, 지구 대기를 피할 수는 없었다. 급기야 천문학자들은 망원경을 우주로 올려보내자는 아이디어를 떠올렸다.

 

허블우주망원경이 찍은 독수리성운(M16).

망원경을 우주로 올려보내자!

흔히 우주를 텅 빈 암흑의 공간이라고 부른다. 보이는 것이라고는 가까운 태양계 내 천체를 빼면 아주 멀리 떨어진 별이나 외부은하에서 오는 빛이다. 그것도 우리 눈에는 기껏해야 작은 점으로만 보일 정도로 약하다. 이런 약한 빛에 의존해 먼 천체를 연구하는 천문학자들은 어떻게든 빛을 가로막는 장애물을 없애고 싶어한다.

지구를 둘러싼 대기가 대표적인 장애물이다. 대기는 빛을 완전히 통과시키지 않는다. 통과해도 빛이 흔들려서 천체의 모습을 왜곡시킨다. 그나마 가시광선은 낫다. 가시광선을 제외한 나머지 파장은 대부분 지구 대기를 통과하지도 못한다. 감마선과 엑스선은 대기 상층부에서 가로막혀 지상에 도달하지 못한다. 파장이 10m를 넘는 전파도 대기에 가로막히고, 자외선과 적외선은 일부만 통과한다. 방해꾼인 대기를 피하는 방법은 하나, 바로 망원경을 들고 우주로 나가는 것이다. 우주망원경은 지상에서 볼 수 없는 여러 파장의 전자기파를 관측할 수 있을 뿐만 아니라 날씨나 시간에도 구애 받지 않는다.

최초의 우주망원경인 허블 우주망원경.

라이먼 스피처는 1946년 대기의 방해도 받지 않고 더 넓은 파장을 관측할 수 있는 우주에 망원경을 설치하자고 제안했다.

망원경을 우주에 올리자는 아이디어는 최초의 인공위성이 발사되기 10년도 더 전에 나왔다. 제안한 사람은 미국의 천체물리학자 라이먼 스피처(Lyman Spitzer, 1914~1997)였다. 1946년 그는 대기의 방해도 받지 않고 더 넓은 파장을 관측할 수 있는 우주에 망원경을 설치하자고 제안했다. [지구 밖 관측소의 천문학적 이점]이라는 논문도 썼다. 그는 이후 우주개발이 한창이던 1960~1970년대를 거치면서 이 꿈을 실현시키려고 오랫동안 미국항공우주국(NASA)과 정부를 설득했다.

꿈이 이뤄진 건 무려 40여 년 뒤였다. 1990년 4월 24일에 발사된 우주왕복선 디스커버리 호에는 최초의 우주망원경인 허블우주망원경이 실려 있었다. 우주 팽창을 뒷받침하는 증거인 적색편이를 발견한 미국 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble, 1889~1953)의 이름을 땄으며, 자외선과 가시광선 영역을 관측한다. 허블우주망원경은 4번에 걸쳐 수리와 업그레이드를 받은 뒤 애초 기대했던 수명을 훌쩍 넘긴 지금까지도 현역으로 당당히 활동하고 있다.

허블우주망원경이 찍은 울트라딥필드. 2003년 9월부터 2004년 1월까지 똑같은 영역을 찍은 결과 이처럼 환상적인 사진이 나왔다. 지구에서 보는 달의 10분의 1 정도 크기의 우주를 찍었음에도, 1만 개 이상의 은하가 모습을 드러냈다. 가장 작고 붉은색으로 보이는 은하는 빅뱅 이후 얼마 지나지 않아 생긴 아주 오래된 은하다.

허블우주망원경 20주년 기념으로 NASA와 ESA가 허블우주망원경으로 찍은 용골자리 성운의 모습을 공개했다.

위대한 관측의 시작을 연 허블

허블우주망원경은 원대한 계획의 시작이었다. 바로 NASA의 ‘위대한 관측 프로그램’이다. 서로 다른 파장을 관측하는 우주망원경 네 대를 띄워 운용한다는 계획이었다. 첫 번째인 허블우주망원경을 발사하고 1년 뒤에는 우주왕복선 아틀란티스 호로 콤튼감마선망원경을 실어 올렸다. 감마선과 파장이 0.01~0.1nm(나노미터, 10억분의 1m)인 엑스선을 관측한다. 감마선은 전자기파 중에서 파장이 가장 짧고 에너지가 가장 크다. 초신성 폭발처럼 엄청난 에너지를 분출하는 현상에서 많이 나온다. 태양이 평생 내놓는 에너지를 몇 초 만에 방출하는 감마선폭발은 우주에서 가장 격렬한 현상으로 초기 우주의 상태나 지금까지 알려진 바와 다른 별의 최후, 최초의 별과 같은 천문학 수수께끼를 해결하는 데 실마리를 제공하고 있다. 콤튼감마선망원경은 2000년 자이로스코프 고장으로 임무를 마칠 때까지 수천 개의 감마선폭발을 관측하며 우주의 고에너지 현상에 대한 정보를 제공했다.

콤튼감마선망원경의 구상도.

찬드라엑스선망원경의 구상도.

스피처우주망원경의 구상도.

세 번째는 찬드라엑스선망원경이다. 인도 물리학자 수브라마니안 찬드라세카르(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910~1995)의 이름을 땄으며, 파장이 0.1~10nm인 엑스선 영역을 담당한다. 1999년 발사됐을 때는 수명을 5년으로 계획했지만, 뛰어난 성과에 힘입어 지금까지도 연장 근무를 하고 있다. 엑스선은 활동성은하핵이나 중성자성, 블랙홀에 빨려들어가는 천체에서 나와 이들의 성질을 이해하는 데 필요한 정보를 제공한다.

위대한 관측 시리즈의 마지막을 장식한 것은 2003년 발사된 스피처우주망원경이다. 우주망원경을 제안하고 실현시키기 위해 노력한 라이먼 스피처의 이름은 13년 만에야 우주망원경에 붙었다. 스피처우주망원경은 다른 셋과 달리 지구의 뒤를 따라 태양 주위를 돌며, 적외선 영역을 관측한다. 적외선은 작은 별이나 멀어지는 은하, 상대적으로 온도가 낮은 천체를 관측하는 데 적합하다.

스피처우주망원경이 담은 안드로메다 은하.
적외선 영역으로 보는 안드로메다 은하는 평소 모습과 많이 달라 보인다. 적외선은 상대적으로 어두운 별에서 나오기 때문이다.

위대한 관측 시리즈를 합하면 감마선에서 적외선까지의 영역을 모두 관측할 수 있다. 지상에서 관측할 수 없는 감마선과 엑스선, 적외선은 물론이고 가시광선을 관측한 허블우주망원경도 우주에 올라간 덕을 톡톡히 봤다. 아주 멀리 떨어져 있는 은하를 선명하게 담아낸 ‘울트라 딥필드’와 같은 유명한 사진도 지상에서라면 불가능했다.

 

찬드라엑스선망원경, 허블우주망원경, 스피처우주망원경으로 찍은 게 성운을 합성한 사진.
가운데 파란 부분은 찬드라가 찍은 엑스선 영역, 붉거나 노란 부분은 허블이 찍은 가시광선, 보라색 부분은 스피처가 찍은 적외선 영역이다.

위대한 관측의 뒤를 잇는 자는 누구

위대한 관측의 후계자는 누구일까. 이미 임무를 마친 콤튼감마선망원경의 역할은 몇몇 후계자가 뒤를 이었고, 가장 오래된 허블우주망원경도 슬슬 후계자가 등장할 예정이다. 현재 감마선을 관측하는 우주망원경으로는 NASA의 페르미감마선우주망원경과 스위프트, 유럽우주기구(ESA)의 인테그랄(INTEGRAL)이 있다.

2008년 발사된 페르미감마선우주망원경은 중성자성인 펄서에서 전파뿐만 아니라 감마선도 나온다는 사실을 밝혀냈다. 이 발견은 미국 [사이언스]지가 선정한 2009년 10대 과학뉴스에 뽑히기도 했다. 스위프트도 2004년 임무를 시작한 이래 600개 이상의 감마선 폭발을 찾아냈다. 그중에는 지금까지 관측한 천체 중 가장 밝은 감마선 폭발도 있고, 빅뱅 이후 6억 3000만 년 뒤에 일어나 우주 초기에 있었던 먼지에 대한 정보를 제공한 감마선 폭발도 있었다. ESA의 인테그랄은 2002년에 발사된 이래 지금까지 가장 가깝고 희미한 감마선 폭발을 관측하는 기록을 세웠으며, 감마선으로 본 은하 평면 지도를 만들었다.

2008년 발사된 페르미감마선우주망원경은 중성자성인 펄서에서 전파뿐만 아니라 감마선도 나온다는 사실을 밝혀냈다.

제임스웹우주망원경은 예산 문제로 발사가 몇차례 미뤄졌다. 현재는 2018년 발사 예정이다.

허블우주망원경의 후계자는 제임스웹우주망원경이다. 사람을 달에 보낸 아폴로 프로그램에서 중심적인 역할을 한 제임스 웹(James Webb, 1906~1992)의 이름을 땄다. 공식적으로는 허블의 후계자지만 관측 영역이 주로 근적외선에 집중돼 있어 스피처우주망원경의 대체 역할까지 한다. 구조도 독특하다. 단일 반사경으로 된 허블우주망원경과 달리 6각형 모양의 거울 18개가 모여 지름 6.5m짜리 주 반사경을 이룬다. 접힌 채로 발사돼 우주에 올라간 뒤에 펴진다.

막 태어난 젊은 별이나 수명을 다하기 직전의 나이 든 별에서 많이 나오는 자외선 영역에서는 뚜렷한 후계자가 보이지 않는다. 자외선을 관측하는 주요 우주망원경으로는 허블우주망원경과 스위프트, 현재 관측을 끝마친 갈렉스가 있다. 갈렉스 계획에는 연세대 자외선우주망원경연구단도 참여했다. 2007년 갈렉스는 하늘 전체를 자외선으로 관측한 지도를 완성하는 성과를 거뒀다. 자외선우주망원경연구단은 갈렉스로 과거 나이 든 별들만 있다고 생각했던 타원은하에서도 새로운 별이 탄생하고 있음을 밝혀냈다.

 

스위프트가 찍은 핀휠은하(M101). 스위프트가 자외선/가시광선 영역에서 찍은 M101은하에 색을 입힌 모습이다. 파란색은 자외선을, 빨간색은 가시광선을 나타낸다.
나선팔 부근이 파랗게 보인다는 것은 자외선을 내뿜는 젊고 뜨거운 별이 많다는 뜻이다. 상대적으로 나이 든 별이 많은 중심부는 붉게 보인다.

행성 찾고 우주탄생의 비밀 밝히고

최근 뉴스에 많이 등장하는 우주망원경으로 케플러와 플랑크가 있다. 케플러의 목표는 지구와 닮은 외계행성을 찾는 것이다. 케플러는 약 15만 개의 별을 오랜 시간 동안 관측한다. 허블망원경보다 더 넓은 영역을 동시에 볼 수 있다. 지구에서 보는 달의 면적보다 약 600배 넓은 영역이다. 외계행성은 발견할 가능성이 희박해 수많은 별을 동시에 관측해 확률을 높여야 하기 때문이다.

케플러의 이미지 센서. 42개의 CCD (전하결합소자)로 이뤄져 있으며, 화소의 수는 약 9500만 개다.

ESA의 플랑크는 우주배경복사를 관측해 빅뱅이 일어난 지 얼마되지 않은 우주의 모습을 연구하는 데 필요한 정보를 제공한다.

케플러는 ‘행성에 의한 별빛가림 현상’으로 행성을 찾는다. 지구에서 볼 때 행성이 별 앞을 지나가면 별빛이 어두워진다. 한 번 어두워지는 것만으로는 알 수 없기 때문에 행성이 별 주위를 여러 번 도는 동안 꾸준히 관측해야 한다. 별과 행성의 크기 차이가 워낙 커서 어두워지는 정도도 미약하다. 케플러는 0.002%의 빛 변화까지도 감지할 수 있다. 지구가 태양을 가렸을 때 어두워지는 정도도 알아낼 수 있는 수준이다.

현재 케플러는 2000개 이상의 행성 후보를 찾아냈고, 그중 60개 이상이 외계 행성으로 확정됐다. 지난해 12월에는 거문고자리에 있는 별에서 지구와 크기가 거의 비슷한 행성 ‘케플러-20e’와 ‘케플러-20f'를 발견하기도 했다. 하지만 이들은 중심별과 거리가 너무 가까워 표면 온도가 1000℃에 육박한다. 생명체가 살 가능성은 희박하다.

플랑크는 지금까지 언급한 우주망원경과 다른 파장을 관측한다. 바로 마이크로파다. 빅뱅의 흔적인 우주배경복사를 관측할 수 있는 영역이다. 우주가 4000℃ 정도로 식으면서 나온 빛이 오늘날 마이크로파로 변한 게 우주배경복사다. 이 빛의 분포를 관측하면 별도 태어나지 않은 초기 우주의 모습을 연구할 수 있다. 2010년 7월에는 임무 시작 이후 처음으로 전체 하늘의 관측 영상을 공개했다. 현재 플랑크는 하늘 전체를 고주파(100~850GHz)와 저주파(30~70GHz)로 나눠 관측을 계속하고 있다. 2012년 1월에는 먼저 고주파 영역의 관측을 마쳤다.

플랑크가 찍은 하늘. 마이크로파로 본 하늘을 파장별로 합성한 모습이다. 가로로 밝은 부분은 우리은하 평면으로 가스와 먼지가 빛을 확산시켜 밝게 보인다.

마지막으로 다른 이유 때문에 우주로 올라간 우주망원경을 살펴보자. 2011년 7월 발사된 러시아의 우주전파망원경 라디오아스트론이다. 전파는 지구 대기를 문제없이 통과하기 때문에 굳이 우주에 망원경을 올릴 필요가 없다. 오히려 큰 전파망원경은 지상에서 만드는 게 더 쉽다. 전파망원경이 우주로 올라가는 것은 초장거리간섭계를 만들기 위해서다. 전파망원경은 망원경 하나의 지름을 키우기보다는 여러 대를 네트워크로 구성해 해상도를 높인다. 전파는 파장이 길어서 서로 다른 망원경으로 받은 신호를 하나로 중첩시키기 쉽기 때문이다. 보통은 지상에 간섭계를 만드는데, 전파망원경을 우주로 올려보내면 지구보다 지름이 큰 초장거리간섭계를 만들 수 있다. 라디오아스트론은 지구에서 최대 39만 km까지 멀어지므로 지구와 달사이의 거리만큼 큰 망원경과 같은 효과를 낸다.

천문학자들의 눈

지난 23년 동안 우주망원경은 천문학자들의 귀중한 눈이었다. 중요한 성과도 많이 이뤄냈다. 여기에 맛 들인 천문학자들이 과연 지구의 망원경에 만족할 수 있을까. 2018년경 발사 예정인 제임스웹우주망원경이 활동을 시작하면 어떤 모습을 보여줄지도 기대가 크다. 주 반사경의 면적이 허블우주망원경보다 5배나 큰 만큼 더욱 선명한 영상을 보여줄 것이다. 우주비행 기술이 더욱 발달한다면 달의 뒷면 같은 곳에 거대한 망원경이 있는 천문대를 지을 수도 있다. 그런 날이 오면 천문학자들 스스로 망원경을 따

라 우주로 나가지 못해 안달이 아닐까.

우주망원경 총정리
지금까지 우주로 올라간 우주망원경은 모두 70대가 넘지만, 현재 활동하고 있는 망원경은 4분의 1 정도다. 지구 주위를

돌며 지상에서는 볼 수 없는 우주의 모습을 전해주고 있는 주요 우주망원경을 정리했다.

우주망원경 총정리

• 

  허블우주망원경(Hubble Space Telescope)

주관기관 : NASA

발사 : 1990년 4월 24일

관측 파장 : 자외선, 가시광선, 근적외선

궤도 :560km

• 

  찬드라엑스선망원경(Chandra X-ray Observatory)

주관기관 : NASA

발사 :1999년 7월 23일

관측 파장 : 엑스선

궤도 : 16,000km~133,000km

• 

  XMM-뉴턴(Newton)

주관기관 :ESA

발사 :1999년 12월 10일

관측 파장 : 엑스선

궤도 : 7000~114,000km

• 

  오딘(Odin)

주관기관 :스웨덴우주협회

발사 :2001년 2월 20일

관측 파장 : 마이크로파

궤도 : 620km

• 

  인테그랄(INTEGRAL)

주관기관 :ESA

발사 :2002년 10월 17일

관측 파장 : 감마선, 엑스선

궤도 : 13,000~153,000km

• 

  갈렉스(GALEX)

주관기관 :NASA

발사 : 2003년 4월 28일

관측 파장 : 자외선

궤도 :700km

현재 관측 종료

• 

  모스트(MOST)

주관기관  : 캐나다우주기구

발사 : 2003년 6월 30일

관측 파장 : 가시광선

궤도 : 820km

• 

  스피처우주망원경(Spitzer Space Telescope)

주관기관 :NASA

발사 : 2003년 8월 25일

관측 파장 : 적외선

궤도 : 태양 주위를 공전

• 

  스위프트(Swift Gamma-ray Burst Mission)

주관기관 :NASA

발사 :2004년 11월 20일

관측 파장 : 감마선, 엑스선, 자외선, 가시광선

궤도 : 600km

• 

  수자쿠(Suzaku)

주관기관 :일본우주기구, NASA

발사 : 2005년 7월 10일

관측 파장 : 엑스선

궤도 : 570km

• 

  코롯(COROT)

주관기관 :프랑스우주연구센터, ESA

발사 :2006년 12월 27일

관측 파장 : 가시광선

궤도 : 830km

• 

  아가일(AGILE)

주관기관 : 이탈리아우주기구(ISA)

발사 : 2007년 4월 23일

관측 파장 : 감마선, 엑스선

궤도 : 550km

• 

  페르미감마선우주망원경(Fermi Gamma-ray Space Telescope)

주관기관 : NASA

발사 : 2008년 6월 11일

관측 파장 : 감마선

궤도 : 550km

• 

  케플러(Kepler)

주관기관 : NASA

발사 : 2009년 3월 7일

관측 파장 : 가시광선

궤도 : 지구를 따라 태양 주위를 공전

• 

  허셜우주망원경(Herschel Space Observatory)

주관기관 : NASA, ESA

발사 : 2009년 5월 14일

관측 파장 : 적외선

궤도 : 태양-지구 라그랑주 포인트(고도 150만 km)

• 

  플랑크(Planck)

주관기관 : ESA

발사 :2009년 5월 14일

관측 파장 : 마이크로파

궤도 : 태양-지구 라그랑주 포인트

• 

  라디오아스트론(RadioAstron)

주관기관 :러시아아스트로우주센터

발사 : 2011년 7월 18일

관측 파장 : 전파

궤도 : 1만~39만km  현재 가장 큰 우주망원경

 글 고호관 / 과학동아 기자

집에서 혼자 실험하던 과학소년 출신. 과학자는 못 됐지만, 기자로서 과학의 여러 분야를 기웃거리고 있다.

현재 월간 과학동아 기자

[가시광선]

와우! 멋있다. 별들의 모습. 그리고 위의 내용대로 태양계밖의 깜깜한 우주를 상상해 본다. 너무 황량하고 고독할 것이다. 그속의 아주 아주 쬐끔한 '창백한 푸른점'위에 붙어 있는, 아주 나약한 우리 생명체들... 뭐, 그리 대단하다고... 총선에서 권력들 잡겠다고 난리였고...이젠, 서로들 대통령 한번 해보겠다고 (잠룡들?... ) ,잘해보쇼들 ㅎㅎㅎ...위의글 중 '그나마 가시광선은 낫다'^^(가시광선=내 닉네임 ㅎㅎ)... 가끔씩 우주의 모습을 상상해보면 매우 겸허해진다...^^

[白山 김기수]

당연하십니다.... 말씀 백프로 공감입니다 ㅎㅎ^^

[가시광선]

멋있어서 스크랩 해갑니다. 스크랩 자꾸 해가서, 제가 얌체같은 생각이 드네요... 미안합니다.^^...가까이 계시면 맛있는 안주하고 소주도 한잔씩 대접해 드릴 수 있을텐데^^...

[白山 김기수]

배움에 언떤 장해가 있겠습니까. 마음껏 해가셔도 좋습니다.
부산 친구가 청주와서 술한잔 했었습니다.(단, 주말에는..) 주중에는 안산에 있습니다. 저도 술을 좋아합니다.
우주와 술은 한통속입니다. 제게서는...언젠가는 뵐날이 있으리라 믿습니다.ㅎㅎ ^^

[가시광선]

내가 이 카페에 가입한지도 3년정도 된것 같은데,그동안 이카페를 통해서 많은것을 배우고 느끼고... 덕분에 인생 후반에 너무 보람되고 즐겁고 당당하고 자신감있게 살아가고 있습니다.^^ 언젠가 만나게 되면 아주 맛있는 안주하고 대포한잔 거나하게 대접하겠습니다. 약속드립니다.... 항상 건강하고 행복하세요^^... 안산에는 1988년도경 제가 우리은행(옛 상업은행>한빛은행) 검사부에 근무할 때 1주일간 우리은행 안산지점에 업무검사를 나간적이 있습니다.^^

[白山 김기수]

ㅎㅎ.
거나한 막걸리가 감사한 말씀입니다. 기분이 봄비 같이 좋습니다. ^^