최신 우주 망원경들의 혁신적 업적과 미래

 인류의 호기심은 항상 우주의 신비를 향해 왔으며, 우주 망원경은 그 비밀을 풀어가는 핵심 도구로 자리 잡았습니다.

 지구 대기의 방해 없이 우주 깊숙이 관측할 수 있는 우주 망원경들은 빅뱅 직후의 은하부터 외계행성의 대기 성분까지 분석하며 우주에 대한 우리의 이해를 끊임없이 확장시키고 있습니다.

 현재 우주에서 활약 중인 주요 우주 망원경들의 최근 업적을 주제별로 살펴보고, 이들이 서로의 연구를 어떻게 보완하는지 알아보겠습니다.

제임스 웹 우주망원경: 인류의 가장 강력한 우주의 눈

 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 미국, 유럽, 캐나다가 25년간 13조 원을 투입해 개발한 사상 최대 규모의 우주망원경입니다.

 2021년 크리스마스에 발사된 이 망원경은 지구에서 약 150만km 떨어진 라그랑주 L2 지점에 자리하고 있으며, 발사 3년 만에 천문학계의 기존 우주론을 뒤엎는 놀라운 성과들을 쏟아내고 있습니다.

 

위키백과 사이트 갈무리

 

초기 우주 탐험의 혁명

 웹 망원경의 가장 주목할 만한 성과는 빅뱅 이후 2억 9천만 년밖에 지나지 않은 시점의 은하를 포착한 것입니다.

 약 137억 년 전의 별빛이 담긴 이 은하는 기존 우주론이 예측한 초기 은하보다 훨씬 밝아 관측이 가능했으며, 이는 우주 진화 속도가 예상보다 빨랐음을 시사합니다.

 미국 과학 전문지 '사이언스'도 이례적으로 2022년에 이어 2023년에도 웹 망원경을 '10대 올해의 혁신'으로 선정하며, "가동 몇 달 만에 우주 초기 은하 후보를 예상보다 1천 배 많이 관찰했다"라고 보도했습니다.

 

 이러한 발견들은 초기 우주에 크고 밝은 은하들이 기존 우주론에서 예측한 것보다 훨씬 많았음을 의미하며, 이를 설명하기 위해 우주론 수정이 불가피하다는 의견이 천문학계에서 제기되고 있습니다.

 

Nasa 홈페이지 갈무리

 

외계행성 탐사의 선두주자

 제임스 웹 우주망원경은 외계행성의 대기를 정밀하게 분석할 수 있는 능력을 바탕으로 생명체가 존재할 가능성이 있는 행성을 탐색하는 데도 큰 성과를 내고 있습니다.

 2023년 7월, 독일 막스 플랑크 천문학 연구소의 연구팀은 웹 망원경을 이용해 12광년 떨어진 별 주위를 도는 차가운 가스행성을 처음으로 포착했다고 발표했습니다.

 

 이 가스형 외계행성은 질량이 목성의 6배에 달하지만 온도는 섭씨 2도 정도로 낮아 기존 망원경으로는 관측이 어려웠습니다. 하지만 웹 망원경은 고성능 중적외선 관측 장치인 MIRI를 통해 이를 포착할 수 있었습니다.

 이러한 발견은 태양계 외부 행성들의 대기 성분을 높은 정밀도로 분석할 수 있는 가능성을 보여주며, 생명체가 존재할 수 있는 조건을 갖춘 행성 발견에 대한 기대를 높이고 있습니다.

 

허블 우주망원경: 34년째 우주를 관측하는 베테랑

 1990년에 발사된 허블 우주망원경은 34년째 우주를 관측하며 지금까지도 중요한 역할을 수행하고 있습니다.

 570km 고도의 지구 궤도를 돌고 있는 허블은 제임스 웹과 달리 직경 2.4미터의 단일 거울을 사용하며, 총 4회의 서비스 미션을 통해 수리와 기기 교체가 이루어졌습니다.

 

우주 팽창률 측정: 허블 상수와 허블 텐션

 허블 우주망원경이 미국 의회에 제시한 세 가지 과학적 정당화 중 하나는 우주의 정확한 팽창률을 측정하는 것이었습니다.

 허블 발사 전 지상 망원경 관측은 우주의 나이를 100억~200억 년 사이로 추정하는 큰 불확실성을 보였지만, 허블은 지난 34년 동안 이 값을 1% 수준의 정확도로 측정했습니다.

 

 그러나 허블의 측정 결과는 천문학자들을 혼란스럽게 만들었습니다.

 허블 관측에 따른 현재 우주의 팽창 속도는 플랑크 위성이 관측한 우주 초기의 모습을 바탕으로 예측된 팽창 속도보다 빠르게 나타났기 때문입니다.

 이는 '허블 텐션'이라 불리는 우주론의 중요한 수수께끼로 남아있습니다.

 

 

새로운 운영 모드로 과학 관측 지속

 2024년 허블 우주망원경은 자이로스코프(gyroscope) 문제로 일시적으로 오프라인 상태가 되었지만, 단일 자이로스코프만 사용하는 새로운 운영 모드로 전환하여 6월 14일부터 과학 관측을 재개했습니다.

 

 이 새로운 운영 모드에서 첫 번째로 촬영한 이미지는 도라도(Dorado) 자리에 위치한 NGC 1546 은하입니다.

 이 은하의 방향성 덕분에 은하 중심부의 빛을 받아 적갈색으로 보이는 먼지 띠를 잘 관찰할 수 있었습니다.

 중심부는 오래된 별들의 황색 빛으로 밝게 빛나며, 먼지 사이로 활발한 별 형성 지역이 푸른 빛으로 반짝이고 있습니다.

 

 NASA 고다드 우주비행센터의 제니퍼 와이즈만 박사는 "허블의 새로운 은하 이미지는 망원경의 새롭고 더 안정적인 운영 모드의 완전한 성공을 보여준다"며 "앞으로 수년간의 새로운 발견을 위해 태양계부터 외계행성, 먼 은하까지 모든 것을 관측할 준비가 되어 있다"라고 말했습니다.

 

Nasa 홈페이지 갈무리

찬드라 X선 우주천문대: 고에너지 우주 관측의 선구자

 찬드라 X선 우주천문대(Chandra X-ray Observatory)는 2024년에 25주년을 맞이했습니다.

 X선으로 우주를 관측하는 이 망원경은 블랙홀, 폭발하는 별, 충돌하는 은하 등 고에너지 현상을 관측하는 데 특화되어 있습니다.

 

25년간의 고에너지 우주 탐사

 찬드라 X선 우주천문대는 X선 파장에서 우주를 관측하여 다른 종류의 망원경으로는 보기 어려운 고온 가스와 고에너지 현상들을 연구할 수 있게 해줍니다.

 25주년을 기념하여 NASA는 찬드라가 촬영한 최고의 X선 이미지들을 공개했으며, 이는 다른 파장의 빛으로 관측한 결과와 함께 우주의 복합적인 모습을 보여줍니다.

 

Now New 기사 갈무리 / 사진 NASA

 

X선 관측으로 밝혀진 우주의 비밀

 찬드라의 관측은 블랙홀이 은하 중심에서 어떻게 작용하는지, 초신성 폭발이 어떻게 일어나는지, 그리고 은하단 내에서 어떻게 가스가 분포하고 있는지 등을 이해하는 데 중요한 역할을 했습니다.

 특히 X선으로 관측된 데이터는 다른 망원경의 관측 결과와 결합하여 더 완전한 우주의 그림을 그리는 데 기여하고 있습니다.

 

스피어엑스: 세계 최초 3차원 우주지도를 그리는 새로운 도전

 2025년 3월 12일, 한국천문연구원과 NASA 등이 공동 개발한 적외선 우주망원경 '스피어엑스(SPHEREx)'가 미국 캘리포니아주 밴덴버그 우주군 기지에서 성공적으로 발사되었습니다.

 스피어엑스는 SpaceX의 팰컨 9 발사체에 탑재되어 고도 약 650km의 태양동기궤도에 도달했으며, 발사 후 나사의 근우주 네트워크와 교신에 성공했습니다.

 

SPHEREx 발사 대 성공

 

세계 최초 적외선 3차원 우주지도 제작

 스피어엑스의 가장 중요한 임무는 전체 하늘을 102가지 색으로 관측해 세계 최초로 적외선 3차원 우주지도를 제작하는 것입니다.

 인류 최대 망원경으로 알려진 제임스 웹 우주망원경이 하늘의 일부분을 깊게 보는 것과 달리, 스피어엑스는 전체 하늘을 다양한 색으로 관측해 약 10억 개의 천체들에 대한 물리 정보를 수집할 예정입니다.

 

 스피어엑스의 핵심 기술은 영상분광 탐사 기술로, 넓은 영역을 촬영하는 '영상관측'과 빛의 밝기를 파장별로 측정하는 '분광관측'이 결합된 기술입니다.

 NASA 과학임무국 국장 니키 폭스 박사는 "전 우주에 대해 102개에 달하는 색깔로 관측하는 것은 세계 처음으로 이루어지는 획기적인 시도"라고 강조했습니다.

 

한국천문연구원 홈페이지 갈무리

 

우주 탄생과 생명 진화의 비밀을 찾아서

 스피어엑스는 빅뱅 이후 초기 우주의 빛을 분석해 우주 형성과 진화 과정에 대한 중요한 정보를 제공할 것으로 기대됩니다.

 또한 우리 은하 내에 얼음 상태로 존재하는 물과 이산화탄소의 분포를 지도화해 생명체가 존재할 수 있는 환경을 파악하는 데에도 중요한 역할을 할 것입니다.

 

 한미 협력의 결실인 스피어엑스는 국제 협력의 중요성을 보여주는 중요한 사례입니다.

 한국천문연구원은 독자 개발한 근적외선 우주망원경(NISS)의 기술을 기반으로 2016년 스피어엑스 기획 단계부터 참여했으며, 극저온 진공챔버 개발과 관측 자료 처리 소프트웨어 개발에 협력했습니다.

 

 

망원경 간 협력 연구로 밝혀진 우주의 비밀

 우주 망원경들은 각자 다른 파장과 특성으로 우주를 관측하고 있지만, 이들의 관측 결과를 종합하면 우주에 대한 더 완전한 그림을 그릴 수 있습니다.

 최근 여러 우주 망원경이 협력하여 얻은 주목할 만한 연구 성과들을 살펴보겠습니다.

 

허블과 제임스 웹의 우주 팽창률 연구

 허블 우주망원경이 측정한 우주 팽창률(허블 상수)의 정확성에 대한 논쟁이 있었지만, 제임스 웹 우주망원경은 이를 검증하기 위한 중요한 역할을 했습니다.

 웹 망원경은 허블이, 세페이드 변광성이라는 "우주 거리의 황금 기준"을 이용해 측정한 결과가 정확했음을 확인했습니다.

 

 웹 망원경은 5개의 은하에 있는 8개의 Ia형 초신성을 포함한 총 1,000개의 세페이드 변광성을 관측했으며, 이 결과는 허블 망원경의 측정이 정확했다는 것을 재확인했습니다.

 이는 현재 우주와 초기 우주의 팽창 속도 차이인 "허블 텐션"이 실제로 존재하며, 우주의 구조에 아직 이해하지 못한 무언가가 있음을 시사합니다.

 

 

허블, 제임스 웹, ALMA의 별 형성 및 진화 연구

 허블 우주망원경의 Wide Field Camera 3는 NGC 1546 은하를 관측함으로써 제임스 웹 우주망원경과 공동 관측 프로그램에 참여했습니다.

 이 프로그램은 또한 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)의 데이터도 활용해 별이 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 다 파장 관점을 제공합니다.

 

이 세 관측 시설을 조합한 연구는 별의 탄생부터 진화까지 전체 과정을 다양한 파장에서 관찰할 수 있게 해 줍니다. 허블은 가시광선과 근적외선 영역에서, 제임스 웹은 적외선 영역에서, ALMA는 밀리미터/서브밀리미터 파장에서 관측함으로써 별의 생애 주기에 대한 더 완전하고 상세한 그림을 그릴 수 있게 되었습니다.

NASA Releases Hubble Image Taken in New Pointing Mode - NASA Science

 

 

우주 망원경의 미래와 전망

 현재 활동 중인 우주 망원경들은 각자의 강점을 가지고 우주의 비밀을 밝혀가고 있으며, 이들의 연구 결과는 우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시키고 있습니다.

 허블 우주망원경은 30년이 넘는 임무 기간 동안 중요한 발견을 계속하고 있으며, 제임스 웹 우주망원경은 설계 수명인 5~10년을 넘어 20년 이상 활약할 것으로 전망됩니다.

 

 2025년에 발사된 스피어엑스는 27개월 동안의 임무를 수행하며 세계 최초의 적외선 3차원 우주지도를 완성할 것으로 기대됩니다.

 또한 한국은 제임스 웹 우주망원경의 성과를 바탕으로 "한국형 우주망원경 보고서"를 2026년에 발표할 계획이며, 이는 한국의 독자적인 우주 관측 능력을 한 단계 높이는 계기가 될 것입니다.

 

 우주 망원경들은 앞으로도 우주의 기원, 생명체의 존재 가능성, 우주의 진화와 같은 근본적인 질문들에 답하기 위해 끊임없이 발전하고 협력할 것입니다.

 이 망원경들이 제공하는 데이터는 우주에 대한 우리의 호기심을 충족시키고, 더 큰 질문을 던지게 만들며, 궁극적으로 우주와 우리의 위치에 대한 더 깊은 이해로 이끌 것입니다.

유럽우주국 홈페이지 갈무리

 

 우주 망원경은 우주의 비밀을 밝히는 인류의 가장 강력한 도구 중 하나입니다.

 제임스 웹 우주망원경은 초기 우주와 외계행성 연구에서 혁명적인 발견을 이끌어내고 있으며, 허블 우주망원경은 34년째 우주 팽창과 은하 관측의 최전선에 있습니다.

 찬드라 X선 우주천문대는 고에너지 현상을 관측하며, 스피어엑스는 3차원 우주지도를 작성할 준비를 하고 있습니다.

 

 이러한 우주 망원경들이 서로 협력하여 우주에 대한 종합적인 그림을 제공함으로써, 우리는 우주의 기원과 진화에 대한 더 깊은 이해를 얻고 있습니다. 앞으로도 이들 망원경은 우주의 비밀을 풀어가는 인류의 여정에서 중요한 역할을 계속할 것입니다.

 인류의 호기심은 끝이 없고, 우주의 신비는 여전히 많이 남아있습니다. 우주 망원경들은 이 끝없는 호기심과 신비 사이의 다리 역할을 하며, 우리가 우주와 그 속의 우리 위치에 대해 더 깊이 이해할 수 있도록 도와줄 것입니다.

제임스 웹과 허블이 잡아낸 DART와 소행성의 충돌