제임스 웹 우주 망원경

James Webb Space Telescope (JWST)

NASA의 우주 망원경 프로젝트의 정점. 공식 홈페이지

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James Webb Space Telescope (제임스 웹 우주 망원경)<:>
임무 형태	천문학<:>
오퍼레이터	NASA/ESA/CSA/STScI
임무 기간	5년 (설계) 10년 (목표)<:>
발사시 질량	6,500kg<:>
발사 예정일	2018년 10월
발사 예정지	기아나 우주센터
궤도 정보<:>
태양-지구 L2<:>
공전 주기	6개월
망원경 제원<:>
형식	Korsch<:>
직경	6.5m
초점 거리	131.4m
집광 면적	25㎡
유효 파장	0.6㎛~28.5㎛
장비<:>
NIRCam/NIRSpec/MIRI/NIRISS/FGS

사실상 지구에 있는 첨단 기술이란 기술은 다 갖다부은 현대과학의 집약체.

1 허블을 대신할 초대형 우주 망원경

허블이 1990년 가동하기 시작하면서 NASA에서는 후계 망원경에 대하여 논의가 시작되게 되었다. 마침 세계적인 관심이 우주론으로 쏠린 탓도 있었고, 올라가고보니 너무나도 좋은 성능을 보여준 탓에, 일단 큰 걸 만들더라도 사이즈 좀 줄여서 지구 밖으로 보내자는 여론이 조성되면서 1996년, 허블 망원경의 연식이 다 할 쯤에 올릴 거대 우주 망원경을 계획하게 된다.

그리하여 허블 망원경이 볼 수 없는 더욱 깊은 우주를 볼 수 있는 망원경을 만들자는 일념 하에 개발 프로젝트가 시작되었고, 2002년에 과거 아폴로 계획을 헌신적으로 지원했던 제임스 웹 前 NASA 국장의 이름을 따 '제임스 웹 우주망원경(JWST)'으로 프로젝트 명을 결정, 프로젝트가 본격화되었다.

2 허블 우주 망원경과 차별점

허블 망원경은 직경 2.4m의 단일 반사경을 사용하지만 제임스 웹 망원경은 그보다 집광 면적이 7.3배 더 넓은 직경 6.5미터의 반사경을 쓴다. 이렇게 큰 망원경을 통채로 우주로 보낼 수는 없으니 18개의 1.3m 짜리 작은 정육각형 반사경으로 나눠서 구겨넣고 발사해서 나중에 펼쳐서 조합해서 큰 반사경으로 쓴다. 반사경의 재질도 유리가 아니라 가볍고 강하고 열변형이 적고 적외선 반사능력이 뛰어난 베릴륨을 소재로 금을 코팅한 거울을 쓴다. 베릴륨 반사경 덕분에 반사경은 훨씬 커졌지만 망원경 전체의 무게는 6.5t으로 허블의 절반밖에 안 된다.

광학적으로도 허블은 반사경이 두 개인(주 반사경+2차 반사경) Ritchey–Chrétien 방식을 쓰는데 JWST은 3차 반사경까지 쓰는 Korsch 방식이라 허블 망원경보다 시야가 월등히 넓고 모든 광학적 수차를 없앴다. 바로 KH-11 키홀 스파이 위성 등이 쓰는 망원경의 방식. 시야가 넓으니 한정된 시간에 넓은 영역을 관측할 수 있어서 훨씬 효율적이다. 우주망원경이라 대기의 교란은 없으므로 적응광학장치는 필요없지만 중력이나 태양풍 등의 영향으로 가끔 기계적 조정은 필요하므로 능동광학장치로 반사경을 미세조정할 수 있다.

허블 우주 망원경의 주된 관측 영역은 가시광과 근적외선 정도였다. 하지만 허블보다 더 멀고 희미한 천체를 관측하려면 반사경이 커야 하는 건 물론이고 관측영역도 가시광선보다는 적외선 영역을 관측하는게 좋다. 멀리 있어서 적색편이가 큰 천체나 작고 어두운 갈색왜성 등은 적외선을 관측하는게 가장 좋고 또 적외선은 우주먼지 등에 의한 감쇠가 적어 먼지를 뚫고 멀리까지 볼 수 있다. 그리고 가시광 관측은 이미 적응광학기술 등으로 개선된 초대형 지상망원경이 더 잘할 수 있으므로 우주망원경은 지상의 초대형 망원경은 대기의 수증기 등의 흡수로 하기 어려운 적외선 영역을 관측해서 지상망원경과 상호보완적으로 이용하는게 더 효과적이다. 그래서 허블의 후계자인 제임스 웹 망원경은 주로 적외선을 관측하게 설계되었다. 다만 반사경이 커졌지만 적외선을 주로 관측하니 파장도 길어져서 회절은 상쇄되어 해상도는 비슷하게 유지되었다.

그런데 적외선 영역을 제대로 관측하려면 열잡음을 줄이기 위해 망원경 자체의 온도를 절대온도 40도(섭씨 -233도) 정도로 크게 낮춰야 한다. 그래서 망원경의 아래쪽에 마치 천막처럼 보이는 5겹의 차양을 설치해 태양빛과 지구빛을 차단한다. 차양 쪽을 태양과 지구를 향하게 하고 관측한다. 냉각에 따로 헬륨 등 냉각제를 소모하지 않으므로 냉각재는 수명과 관계없고 태양풍의 압력과 중력의 영향으로 인한 궤도변동을 상쇄하는 위치 유지에 추진 연료를 소모하는데 그 연료가 다하면 망원경의 사용 수명이 끝난다. 설계 수명은 5년이고 목표 수명은 10년 정도로 잡고 있다.

그런데 고정된 차양 하나로 태양빛과 지구빛을 동시에 차단해야 하므로 태양과 지구의 상대위치가 계속 변하는 지구중심궤도는 부적합하고 태양과 지구가 언제나 같은 방향에서 보이는 궤도에 있어야 한다. 그게 바로 태양을 공전하게 만드는 것이다. JWST의 궤도 반지름은 마치 지구가 태양을 공전하는 궤도를 반지름만 1% 가량 확장한 수준이다.

바로 지구-태양의 L2 라그랑주점 근처이다. L2 지점과 지구와의 거리는 약 150만 km로, 달까지의 거리의 3.9배 정도이고 지구 반지름의 235배, 허블 우주 망원경 고도의 2680배. 다만 너무나도 멀리 떨어져 있기 때문에 문제가 발생하면 서비스를 진행할 수 있었던 허블과는 달리 이쪽은 문제가 생기면 그대로 버려진다. 사실 우주왕복선 프로그램 종료 후, 허블 역시도 문제 생기면 버려지는 신세지만...

유사한 모양의 GAIA의 궤도.

정확한 궤도는 딱 L2 지점은 아니고 L2 지점을 중심으로 지구의 공전궤도면과 직각인 궤도를 마치 바람개비나 바퀴처럼 남북 방향으로 돈다. 궤도 반경은 달의 공전궤도 반경 보다 약간 큰 40만 km 정도이고 공전주기는 6개월. 그래서 허블과는 달리 지구나 달의 그림자에 가리지 않고 항상 태양빛을 받아 태양전지로 2kW를 발전한다. 이런 궤도는 태양 입장에서 지구를 바라보면 햇무리나 광배 비슷해서 헤일로 궤도(Halo Orbit)라고 한다. 이 궤도의 좋은 점은 계절에 관계없이 지구에서 본 하늘에서의 위치는 일정하다는 것. 지구의 자전축이 기울어져 있어서 계절마다 변하는 고도를 궤도운동으로 상쇄하는 셈. 그래서 지구상의 일정한 위치에서 일정한 시간에 매일 교신하기에 유리하다.

3 이 엄청난걸 어디에 쓸까

90년대 중반 열화와도 같은 우주론 열풍이 불며 더 멀리, 더 자세하게 관측하고자 하는 욕심이 들끓기 시작하면서 본격적인 Deep Sky 관측 임무를 부여받게 된다.

현재의 우주망원경들이 관측할 수 없는, 혹은 힘든 z=10 이상의 천체의 관측과 빅뱅 직후 약 1억 년의 우주를 관측하는 것이 목표이다.

그러니까 이게 뜨기만 하면 기존의 초 원거리 은하, 퀘이사, 3종족 별들의 존재를 확인, 관측, 연구가 가능해진다.

4 Houston, We've Had a Problem

4.1 돈먹는 하마

위의 표에는 발사 예정일이 2018년 10월이라고 소개되었다. 문제는 허블의 폐기 예정은 2013년이었고, 아직까지 잘만 움직이고 있다.좀비 망원경 왜 그런지에 대해서는 아래 표를 보면 이해할 수 있다. 20년 전 원래 계획을 세울 때는 5-10억 달러 정도의 중규모 예산 프로젝트였는데, 지금은 아직 발사도 안 했는데 총 비용이 거의 90억 달러에 육박하는 거대한 돈 먹는 하마 프로젝트가 되었다. 미국 정부의 과학연구 프로젝트로는 역사상 가장 규모가 큰 프로젝트이다. 참고로, 허블 망원경은 10억 달러 좀 넘을 걸로 예상했지만, 실제로는 발사 때 까지 총 26억 달러가 들었고 20년간 다섯 차례의 수리비와 운영비까지 합치면 전부 96억 달러 정도 들었다.

JWST 의 예상 총 비용과 발사예정일의 추이를 보면 계획의 초기인 1990년대 말에는 예산 10억 달러, 2007년 발사예정이었는데 10년 후인 2000년대 말에는 50억 달라, 2014년으로 늘어나고, 2013년에는 88억, 2018년으로 예산이 눈덩이처럼 늘고 기간도 늘어났다.

이렇게 비용과 기간이 크게 늘게된 건 허블의 대성공에 고무되어 그 후속으로 지나치게 야심적으로 목표를 세우다보니 아직 성숙하지 않은 많은 첨단기술을 써야했고 그래서 목표하향, 설계변경이 잦았고 예산을 독식하니, NASA 내부에서나 천문학계 전반에서도 반대가 적지 않았다. 일종의 속편의 저주랄까 2년차 증후군이랄까... 장기 과학개발 프로젝트가 해서는 안되는 실수의 반면교사가 된 느낌.

그리고 허블 망원경 때도 큰 실수를 해 수리한 전력이 있는데, JWST은 발사하고 나면 수리나 보충도 불가능해서 이 거액을 한 번에 날릴 가능성도 있다. 또, 무려 25년간 노인학대 중인 허블 망원경에 비해 운영 수명도 최대 10년 정도로 비교적 짧은 편이라 비싼 돈 값을 할 수 있을 지 의문이다. 그 돈으로 다른 중소 규모 프로젝트 여러 개나 다양한 지상 망원경 건설에 분산투자 하는게 과학적 결과 생산에 더 나을 수도 있다. 지상 망원경은 최신 최대 광학 망원경인 TMT 30m 망원경도 10억 달러 정도, 가장 건설비가 많이 든 ALMA 전파망원경도 15억 달러 정도이다. 운영 수명은 당연히 비교도 되지 않는다.

결국 이 어마어마한 금액과 근 15년을 발사 연기를 거치자 2011년 결국 청문회가 열렸고, 미국 국회는 NASA에 대한 예산 삭감과 JWST의 취소라는 칼을 꺼내들게 된다. 결국 JWST을 포기할 수 없었던 NASA는 JWST을 제외한 많은 수의 다른 우주과학 프로젝트들이 취소되거나 연기되는 사태에 이르게 되어 학자들 사이에서도 원성이 높다. 그 사이에 JAXA나 ESA가 소행성 탐사 같은 비교적 돈이 덜 드는 실속있는 프로젝트들로 폭풍같은 성장을 이루는 것을 그저 손가락 빨며 지켜보는 것 외에는 할 수 있는게 없는 최악의 사태에 이르게 되어버렸다.

예산 초과와 연기에 대한 국민적 불만과 학계의 불안감을 무마하려고 홍보용 실물 모형을 만들어 순회 전시를 한다든가, 작업 과정과 작업의 완료 상황을 홈페이지에서 실시간으로 중계하게 되는 의외의 사태까지 발생하며 '그래도 완성은 되긴 하나보다.'라는 생각이 들게 만들긴 했다. 발사하고 나서가 진짜 문제지만

시간 맞춰서 홈페이지에 가면 엔지니어들이 뛰어다니는 모습도 볼 수 있다.

4.2 세월이 지나고 보니 별 거 아니게 보인다

프로젝트가 시작된 지 너무 오랜 시간이 지나다보니 다른 초대형 망원경 프로젝트들이 발족, 실현이 되어 가면서 JWST의 위용이 점점 추락하는 듯한 느낌이 난다.

현재 진행되고 있는 초거대 지상 망원경 프로젝트들의 완공 예정 시기를 보면 거대 마젤란 망원경 GMT가 2025년, 유럽 초거대 망원경 EELT - 2024년, 30m 망원경 (TMT) - 2024년에 각각 완공 예정이다. 이 거대 망원경들은 지상 망원경인지라 JWST보다는 불리한 점도 있지만, 그 동안 발전된 여러 새로운 기술로 그 단점을 보완하고 있고 지상에 있는 망원경이 가지는 수많은 장점 역시 무시할 수 없다. 비교하기도 참 거시기 하지만 이 셋을 다 합쳐도 JWST보다 한참 저렴하다.

그리고 이렇게 우물쭈물하는 사이 7억 달러 정도 들인 페르미 감마선 우주 망원경이 2008년이 가동되자마자 엄청난 성과를 올리기 시작하고, 2013년 연말에 비슷한 궤도에서 천체지도 작성 임무를 수행하는 가이아가 발사, 2014년 임무를 시작하면서 제임스 웹의 존재와 입지가 더욱 위험하게 되었다. 버리기엔 이미 너무 많이 왔기 때문에 NASA는 오로지 이 쪽에 목숨을 걸어야 하는 상황이 되어버렸다.

아래는 망원경들의 구경 비교. 제임스 웹 망원경의 구경은 왼쪽 맨 아래에 있다. 대형천체망원경 비교

5 트위터

제작소에서 관람객들이 크고 아름다운 반사경을 관람하는 모습이 화제가 되었다. JWST 연구원 Amber Straughn의 트윗

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