우주의 4대천왕 - NASA의 우주망원경
우주의 4대천왕 - NASA의 우주망원경
  • 김일훈
  • 승인 2020.02.14 18:01
  • 댓글 0
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우리는 맨눈으로도 수백개에서 수천개까지의 별을 있습니다. 몇 개의 밝은 행성들도 맨눈으로 관측할 수 있고, 주변이 어둡고 공기가 맑은 곳에서는 밤하늘에 흩뿌려진 은하수도 볼 수 있죠. 하지만 우주에 대한 인류의 호기심은 눈으로 관측하는데 만족하지 않고 더 멀고 더 깊숙한 우주를 자세히 보고자 천체망원경을 개발하고 발전시키기에 이르렀습니다.
 
1600년대 초에 망원경이 발명된 이후 망원경들은 주로 도심에 설치가 되었습니. 그러나 전구가 발명된 이후 점점 도시의 밤이 밝아졌고 밝아지는 만큼 관측은 점점 힘들어 . 그래서 망원경들은 주변에 불빛이 없는 곳으로 이동하기 시작했고 높은 산으로 옮겨 가게 되었습니. 그러나 단지 주변에 불빛이 없다고 해서 아무 산에나 망원경을 설치할 수는 습니. 우리나라 최대의 1.8M 망원경이 설치된 천문대가 보현산에 건설되기까지는 청정 일수, 광해 정도의 측정 무려 10 이상의 입지 선정 연구 과정을 거쳤습니. 한국천문연구원의 자료에 따르면 1985 국내 천문대 설립 계획이 수립된 이후 1987년부터 전국 80 개의 산을 선정한 , 기상 조건, 정상의 넓이, 광해 여부, 적설량, 접근성 등을 고려하여 최종적으로 보현산 최종 입지로 선정이 되었습니. 보현산은 우리나라에서 청정 일수가 가장 많고, 비와 눈이 적게 내리며 정상부의 기류가 안정적이어서 천문대의 최적의 조건을 가지고 있다고 합니. 
 
대형 망원경이 많이 모여 있는 하와이 마우나케아 산과 칠레의 라실라 역시 청정 일수가 많고, 비와 눈이 적게 내리며, 대기가 안정되어 있어서 최적의 관측 여건을 제공하고 습니.
 
그러나 지상에서 아무리 관측 여건이 좋은 곳을 찾아서 가더라도 가끔은 날씨가 흐리고, 비나 눈이 내리거나, 바람이 강하게 불어 관측을 하는 경우도 습니. 날씨가 아무리 좋다 하더라도 태양이 떠오르게 되면 관측을 중단할 수밖에 습니.
 
천문학자들은 1 365, 하루 24시간 계속해서 관측할 있는 곳이 없을까 고민을 거듭하였고, 결과로 우주망원경의 개념이 등장하게 되었습니.  지구 대기권 밖에 망원경을 설치하면 대기의 흔들림, 날씨의 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 지구 대기가 흡수해서 지상에서는 관측을 없는 X, 감마선, 자외선, 적외선 등의 관측이 가능해집니. 그러나 지상에 건설된 망원경과는 달리 제작 발사 비용이 많이 필요하고, 정비와 업그레이드가 불가능에 가까워서 수명이 짧다는 단점도 가지고 습니.
 
현재 운용되고 있는 우주망원경은 수를 헤아릴 없을 만큼 많이 습니. 태양 관측 위성인 SDO(Solar Dynamics Observatory), 관측 위성인 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter) 그리고 지구 관측 위성인 천리안 2B 등에도 우주망원경이 활용되고 있으며, 허블 우주 망원경(HST : Hubble Space Telescope) 같이 아주 멀리 있는 천체들을 관측하는 일반적인 우주망원경의 수도 100개가 넘는 것으로 알려져 습니.

 

 

이번 기사에는 미국 항공우주국 (NASA) 거대 관찰 위성을 중심으로 우주망원경 대해 살펴보고자 합니다.

그림 1. 4개의 NASA의 거대 관측 위성 (NASA’s series of Great Observatories satellites are four large, powerful space-based telescopes) @NASA
그림 1. 4개의 NASA의 거대 관측 위성 (NASA’s series of Great Observatories satellites are four large, powerful space-based telescopes) @NASA

1. 허블 우주 망원경 (Hubble Space Telescope : HST)

1990년에 지구 저궤도인 540km 상공으로 발사된 우주망원경으로 현재 29년째 가동 입니. 우주가 팽창한다는 사실을 뒷받침하는 허블의 법칙을 발표한 미국의 천문학자 에드윈 허블의 이름을 우주 망원경은 2.4m 주경을 가진 리치-크레티앙 방식의 망원경으로 가시광을 위주로 관측을 하며 근자외선과 근적외선까지 관측할 있는 장비들이 탑재되어 습니다.

그림 2. STS-125 승무원인 Ruffnax 가 촬영한 4번째 수리 작업을 끝낸 후 우주왕복선 아틀란티스에서 본 허블 우주 망원경 (@ https://catalog.archives.gov/ )
그림 2. STS-125 승무원인 Ruffnax 가 촬영한 4번째 수리 작업을 끝낸 후 우주왕복선 아틀란티스에서 본 허블 우주 망원경 (@ https://catalog.archives.gov/ )

1990년 우주왕복선 디스커버리호를 이용하여 궤도에 진입하였으며 발사 직후에 광학 장치에 문제가 발생하여 수많은 비난을 받기도 하였으나 추가 광학계를 제작하여 문제를 해결하였고 5번의 우주왕복선 임무를 통하여 수리, 업그레이드 등이 이루어져 현재까지 운용 되고 습니. 허블 우주 망원경은 최초의 우주망원경은 아니었지만 가장 크고, 가장 오랜 세월동안 가장 많은 데이터를 수집하였으며 천문학 발전에 가장 기여를 우주망원경이라 습니다.

그림 3. 허블 우주 망원경의 광학 교정 전(좌)과 후(우)에 촬영한 M100의 모습 (@NASA)
그림 3. 허블 우주 망원경의 광학 교정 전(좌)과 후(우)에 촬영한 M100의 모습 (@NASA)

2. 콤프턴 감마선 관찰 위성 (Compton Gamma Ray Observatory : CGRO)

콤프턴 감마선 위성은 감마선 물리학 연구로 노벨 물리학상을 받은 아서 홀리 콤프턴( Arthur Holly Compton ) 이름을 따서 명명 되었으며 1991 우주왕복선 아틀린티스 이용하여 궤도에 올려졌습니. 4개의 망원경과 다양한 검출기를 이용하여 20 keV ~ 30 GeV 감마선과 엑스선 대역을 관측하였고 2000 수명이 다해 태평양에 폐기 될때까지 거의 매일 감마선 폭발을 감지하였습니. 관측 결과 감마선 폭발은 극초신성이라 불리는 태양 질량의 5배에서 10 정도 되는 별이 수명이 다해 블랙홀로 붕괴될 때 발생하는 것으로 일반적인 초신성보다 밝고 많은 에너지를 감마선 형태로 방출하는 것이라는 것을 알아 었습니다. 

그림 4. 우주왕복선 아틀란티스호에서 발사되는 콤프턴 감마선 관찰 위성. (@NASA)
그림 4. 우주왕복선 아틀란티스호에서 발사되는 콤프턴 감마선 관찰 위성. (@NASA)
그림 5. Gamma-ray-burst 가 발생하는 메커니즘 (@NASA)
그림 5. Gamma-ray-burst 가 발생하는 메커니즘 (@NASA)

3. 찬드라 엑스선 관찰 위성 (Chandra X-ray Observatory : CXO)

찬드라 엑스선 관촬 위성은 1983 백색왜성이 중성자 별이 되기 위한 조건인 찬드라세카르 한계를 발견하여 노벨상을 수상한 미국 물리학자인 수브라마니안 찬드라세카르 (Subrahmanyan Chandrasekhar) 이름을 따서 명명 되었으며 1999 케네디 우주센터에서 우주왕복선 컬럼비아를 이용하여 발사되었습니. 지구 대기권이 대부분 흡수해 버려서 지상에서는 관측이 어려운 0.1 keV ~ 10 KeV 엑스선 대역을 관측하도록 만들어 졌으며 밴앨런 복사대를 피하기 위해 지구에서 16,000km ~ 133,000km 타원 궤도를 돌면서 관측을 수행하였습니. 발사 이후 카시오페이아 A (Cassiopeia A) X 관측을 통해 초신성 폭발 이후에 남은 중성자별이나 블랙홀이라는 단서를 제공하였고, 기존의 망원경으로는 관측을 없었던 초신성 폭발의 잔해인 게성운 (Crab nebula, M1) 중심부에 있는 펄서(pulsar) 주변부를 관측하였습니. 또한 우리은하 중심부인 궁수자리 A(Sagittarius A)에서 초대형 블랙홀의 X 방출을 관측하였습니. 이외의 다양한 관측을 통해 X 방출선이 감마선 폭발(Gamma-ray burst) 연결되는 것을 밝혀내기도 하였습니. 찬드라 엑스선 관찰 위성의 발사 계획은 5년간 운용하는 것이었지만, 20년이 지난 지금까지도 관측을 수행하고 습니.

그림 6. 조립중인 찬드라 엑스선 망원경(좌) 및 우주에서 관측 중인 찬드라 엑스선 관찰 위성의 상상도(우) (@NASA)
그림 6. 조립중인 찬드라 엑스선 망원경(좌) 및 우주에서 관측 중인 찬드라 엑스선 관찰 위성의 상상도(우) (@NASA)

4. 스피처 우주 망원경 (Spitzer Space Telescope)

스피처 우주 망원경 미국 항공 우주국의 대형 망원경 프로그램의 네번째이자 마지막 망원경으로 적외선 영역을 관측하는 우주망원경입니. 다른 대형 망원경 프로그램의 우주망원경들처럼 우주왕복선으로 발사를 예정이었으나 1986 챌린저 참사로 인해 재설계를 통해 크기와 무게 그리고 임무를 축소하여 2003 8월에 델타 II 로켓에 실려 발사되었습니. 적외선 관측을 위해서는 망원경의 온도가 매우 낮은 상태로 유지가 되어야 하기 때문에 다른 인공위성이나 우주망원경들처럼 지구를 중심으로 도는 궤도가 아닌 지구를 따라 태양을 도는 궤도를 가지고 습니. 또한 액체 헬륨을 이용하여 절대 온도 5.5 켈빈( - 267.65 ℃ ) 유지하도록 제작 되었습니. 망원경의 주경은 85cm 이고, 초점 거리는 10.2m 입니다.

그림 8. 조립 중인 스피처 우주 망원경 (@NASA)
그림 8. 조립 중인 스피처 우주 망원경 (@NASA)

발사 영상은 안드로메다 은하 (M31) 였으며 항성이 생성되고, 먼지가 소용돌이 치는 모습 등을 있었습니. 이후 스피처의 주요 관측 대상은 항성의 형성 과정이나 행성이었으며, 최초로 태양계 밖의 행성인 HD 209458b TrES-1)으로 부터 오는 빛을 직접 검출하기도 했습니다. 2016 가을에는 500시간 연속 관측을 통해 TRAPPIST-1 이라는 지구 크기의 행성 7개를 탐지   관측을 하였고, 질량과 밀도를 밝혀냈으며 안정된 대기와 물을 가지고 있을 확률이 있다는 연구 결과도 발표했습니. 16년간 적외선으로 먼지와 가스 구름에 가려진 신비한 우주 현상을 파헤쳐 스피처 우주 망원경은 지난달 30 임무를 완료하고 퇴역하였습니.

그림 9. 스피처 우주 망원경으로 촬영한 11,000 개 이상의 이미지를 모자이크해서 완성한 안드로메다 은하의 적외선 관측 이미지 (@NASA)
그림 9. 스피처 우주 망원경으로 촬영한 11,000 개 이상의 이미지를 모자이크해서 완성한 안드로메다 은하의 적외선 관측 이미지 (@NASA)
그림 10. 스피처 우주 망원경으로 발견한 TRAPPIST-1 행성계와 태양계를 비교한 이미지. 7개의 행성이 화성궤도 안쪽 범위에 모여 있는 것을 볼 수 있다.(@NASA)
그림 10. 스피처 우주 망원경으로 발견한 TRAPPIST-1 행성계와 태양계를 비교한 이미지. 7개의 행성이 화성궤도 안쪽 범위에 모여 있는 것을 볼 수 있다.(@NASA)

NASA의 4대 우주 망원경 외에도 다양한 분야의 관측을 위한 우주 망원경들이 쏘아올려졌고, 현재까지 왕성한 활동을 이어가고 있습니다. NASA에서도 정년 퇴직(!) 시기가 한참 지나서도 활동중인 허블 우주망원경의 후발주자로 2021년 3월에 제임스웹 우주망원경을 발사할 계획이라고 합니다. 앞으로 활동하게 될 우주망원경들도 우주의 비밀을 계속 파헤쳐주기를 기대해봅니다.

 


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