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[2496호] 2018.02.26
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[과학]차세대 ‘우주의 눈’ 태초의 빛 추적 나선다

김형자  과학칼럼니스트 

▲ 제임스 웹 우주망원경 photo Northrop Grumman
멀리 떨어진 곳에서 오는 빛. 그것은 그만큼 과거 시점에 발생했다는 의미이다. 우주 탄생 태초 빛의 비밀을 풀어줄 차세대 우주망원경들의 가동이 곧 다가오고 있다. 우주의 눈 ‘제임스 웹 우주망원경’, 지상의 눈 ‘거대 마젤란 망원경’, 하늘의 눈 ‘톈옌’ 등이 그 주인공이다. 지상과 우주에 천체망원경을 놓으면 멋진 은하와 별들에서 나오는 많은 빛을 선명하게 관찰할 수 있다. 과연 어떤 망원경이 우주 탄생 태초의 빛을 먼저 보게 될까.
   
   
   먼 곳 적외선 포착, 제임스 웹 우주망원경
   
   지난 2월 2일 미국 항공우주국(NASA)은 ‘제임스 웹 우주망원경(JWST)’이 영하 223.2도의 극저온 테스트를 성공적으로 마치고 최종 조립·합체 단계에 들어갔다고 밝혔다. 극저온 테스트는 실제 우주에 투입되기 전 넘어야 할 산. 제임스 웹은 지구에서 150만㎞ 떨어진 ‘라그랑주 지점’의 극저온 환경을 돌기 때문에 탑재되는 장비들이 극저온 환경에서 견딜 수 있어야 한다.
   
   라그랑주 공간은 태양·지구가 물체를 끌어당기는 힘(중력)과 물체가 태양 주위를 돌면서 밖으로 벗어나려는 힘(원심력)이 서로 상쇄되어 중력이 미치지 않는다. 따라서 빛의 왜곡이 없다. 태양이 항상 지구 뒤에 가려 태양빛의 방해도 받지 않는다. 망원경의 배구장 크기 차양막이 지구와 달의 빛도 막아준다. 제임스 웹의 활약이 기대되는 이유다.
   
   제임스 웹은 우주 탄생 초기를 연구할 프로젝트의 하나다. 1990년 우주로 발사된 나이 든 ‘허블 우주망원경’을 대체할 망원경으로 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA) 등이 함께 참여하고 있다. 역사상 가장 위대한 망원경이었던 허블 우주망원경은 28년이나 우주에 떠 있으면서 수많은 성운들 사이에서 별이 태어나는 영역을 찾아냈고, 여전히 미스터리로 남아 있는 암흑물질의 존재도 확인하는 등 우주의 여러 비밀을 풀었다.
   
   이제 그 역할을 제임스 웹이 대신한다. 먼저 빛의 기원을 파헤친다. 오래된 별에서 방출되는 적외선 관측이 주 임무다. 허블 우주망원경이 가시광선으로 10억광년 이내의 빛과 행성을 추적했다면, 제임스 웹은 적외선 관측용으로 130억광년의 아주 먼 곳에서 오는 희미한 적외선 포착도 가능하다. 전자기파 중 파장의 길이가 가장 긴 것은 ‘전파’이다. 그 다음 적외선-가시광선-자외선-감마선 순으로 파장이 짧다. 별들이 내뿜는 다양한 길이의 전자기파는 각각의 파장에 맞는 망원경이 있어야 관측할 수 있다.
   
   제임스 웹은 반사경의 지름이 6.5m나 돼 허블 우주망원경(2.4m)보다 3배쯤 더 크고 성능 또한 10배나 뛰어나다. 반사경은 모두 18개. 반사경이 크면 그만큼 많은 빛을 모을 수 있어 선명한 영상을 얻을 수 있다. 너무 커서 로켓에 탑재하기 위해 접힌 채로 쏘아 올렸다가 우주에서 펼쳐지도록 설계되었다. 만일 제임스 웹이 138억년 전의 빛을 관측한다면 초기의 암흑시대가 끝날 때의 모습, 우리 은하계와 별과 행성이 만들어진 과정, 태양계가 현재 모습으로 된 이유 등을 밝힐 수 있을 것이다.
   
   
▲ 톈옌 망원경(왼쪽), 거대 마젤란 망원경.

   세계 최대 전파망원경 ‘톈옌’
   
   제임스 웹은 우주 초기 빅뱅의 흔적을 찾을 유력한 천체망원경 후보다. 원래 2018년 10월 발사 예정이었지만, 좀 더 꼼꼼한 점검을 거친 후 유럽우주국의 아리안 5호 로켓에 실려 2019년 초에 발사될 거라는 게 NASA의 설명이다. 제임스 웹을 통해 세계 각국의 공통 관심사인 우주의 역사와 비밀이 풀리길 기대한다.
   
   제임스 웹과 함께 출사표를 던진 망원경은 중국의 톈옌(天眼·하늘의 눈)이다. 구이저우성 핑탕현 외딴 산림지대에 설치된 톈옌은 2016년 9월 25일부터 시험 가동 중이다. 중국이 12억위안(약 2061억원)을 들여 만든 세계 최대의 전파망원경이다. 반사경 지름만 500m에 이르고, 망원경 둘레 1.6㎞에 전체 면적(25만㎡)이 축구장 30개 크기에 달한다. 크기만이 아니다. 성능 또한 둘째가라면 서러울 만큼 뛰어나다.
   
   전파망원경은 우주에서 오는 전파를 측정하는 장치이다. 전파망원경 또한 지름이 클수록 우주에서 더 멀리 떨어진 미세한 신호를 잡아낼 수 있다. 눈에 보이는 가시광선 영역보다 훨씬 긴 파장의 전파를 포착하는 만큼 별의 형성 초기 등 우주의 또 다른 영역을 연구할 수 있다.
   
   그동안 전파망원경은 천문학에서 중요한 발견을 이끌어왔다. 우주론이나 우주 관련 분야에서 수상한 노벨상 10개 중 6개가 전파망원경으로 발견한 업적이다. 톈옌의 주 임무는 우주의 중성수소가스, 펄서(Pulsar·중성자별), 성간물질 등을 탐사해 우주의 기원과 진화를 밝히는 것. 외계 행성 간에 있을 수 있는 미세 통신신호를 포착해 외계 생명과 문명도 찾는다. 모든 방향으로 40도 회전이 가능한 톈옌은 지구에서 1만6000광년 떨어진 곳에서 이미 2개의 새로운 펄서를 발견한 상태다.
   
   톈옌 주변 반경 5㎞ 안에는 마을이 없다. 25㎞ 안에도 도시가 하나밖에 없어 주변 잡음으로부터 자유롭다. 또 2000㎞ 밖에서도 원격조종할 수 있기 때문에 핑탕현에서 1780㎞ 떨어진 베이징에서도 톈옌을 무리 없이 운용할 수 있다. 최소 10~20년간 세계 최대 전파망원경 지위를 유지할 것으로 보이는 톈옌은 천문학의 새로운 장을 열 것으로 기대된다.
   
   칠레의 아타카마사막 ‘라스 캄파나스’ 산꼭대기에는 인류 역사상 가장 큰 크기의 광학 반사망원경인 ‘거대 마젤란 망원경(GMT)’이 건설되고 있다. 지름 8.4m짜리 반사경 7개를 벌집 모양으로 연결해 만드는, 전체 구경 지름 25.4m의 역대 최대 규모다. 망원경 하나에
   
   1조원이 투입되는 거대 프로젝트로, 한국을 포함한 5개국 11개 글로벌 파트너 기관이 참여하고 있다. 광학망원경은 가시광선만 볼 수 있다.
   
   
   달에 켠 촛불도 보는 ‘거대 마젤란 망원경’
   
   칠레의 아타카마사막은 세계에서 별이 가장 잘 보이는 땅으로 꼽힌다. 연중 300일 이상 건조하고 시야를 가리는 구름이 거의 없어 우주의 전파나 빛이 방해를 받지 않기 때문에 하늘을 관찰하기에는 더할 나위 없는 장소다. 거대 마젤란 망원경이 비록 대기권으로 둘러싸인 지상에 설치되지만 규모가 커서 지구 상공 610㎞ 위에 있는 허블 우주망원경보다 최대 10배 선명한 영상을 제공할 수 있다. 달에 켜진 촛불을 볼 수 있을 정도로 해상도가 높다. 2023년쯤 4개의 반사경만 먼저 장착해 첫 관측을 시작할 예정이다. 2026년부터 7개 반사경을 모두 장착해서 정상 가동된다. 천문학자들은 거대 마젤란 망원경이 우주 탄생 후 최초로 빛을 낸 천체를 찾아 우주 초기의 비밀을 풀 수 있을 것으로 전망한다.
   
   우주의 태곳적 모습을 찾으려는 인류의 노력은 이처럼 무한하다. 그 선두에서 고성능의 우주망원경들이 돕고 있다. 우주 탄생의 결정적 단서를 제시할 세계 망원경들의 활약이 기대된다.
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