익숙한 캐럴이 여기저기서 울려 퍼지던 지난해 크리스마스에는 드디어 科學者들의 오랜 念願이 宇宙를 向해 發射됐다. 人類 歷史에서 달 探査 以後 가장 紀念碑的 事件으로 불리는 제임스 웨브 宇宙望遠鏡 任務의 成功을 알리는 信號彈이었다. 宇宙望遠鏡은 말 그대로 宇宙로 쏘아 올린 望遠鏡을 말한다. 地上에서는 아무리 신중하게 望遠鏡 設置 場所를 決定한다 해도 구름이 하늘을 가리거나 周邊 빛이 觀測을 妨害하는 境遇가 많다. 쉽지 않은 挑戰이라 그렇지, 一旦 宇宙로 나가면 地球에서보다 훨씬 수월하게 高品質의 天體 寫眞을 밤낮없이 찍을 수 있다. 가장 有名한 宇宙望遠鏡은 美國 天文學者 에드윈 허블의 이름을 딴 허블 宇宙望遠鏡이며, 우리가 보는 수많은 宇宙 寫眞은 主로 이 望遠鏡이 찍었다.

勿論 美國 航空宇宙局(NASA)의 허블 宇宙望遠鏡 外에도 宇宙望遠鏡이라는 槪念을 처음 提案한 美國 天文學者 라이먼 스피처의 이름을 받은 스피처 宇宙望遠鏡, 獨逸 天文學者 요하네스 케플러의 이름을 빌린 케플러 宇宙望遠鏡度 있다. 유럽宇宙局의 허셜 宇宙望遠鏡 亦是 男妹 天文學者 윌리엄 허셜과 캐럴라인 허셜의 이름으로부터 宇宙를 向한 意志를 이었다. 제임스 웨브 宇宙望遠鏡은 元來 次世代 宇宙望遠鏡으로 불리다 2002年부터 NASA 第2代 局長이던 제임스 에드윈 웨브의 이름을 따서 그렇게 부르기 始作했다. 여느 宇宙望遠鏡과 달리 科學者가 아닌 行政家의 이름을 붙여야 했는지에 對한 當時 大衆과 學界의 憂慮는 相當했다. 하지만 웨브 局長은 在任 期間 人種이나 性別로 差別하지 않고 오직 實力으로만 硏究者들을 對한 革新的 리더였다. 또한 莫大한 豫算이 投入된 아폴로 프로젝트가 中斷되지 않도록 꾸준히 關係者들을 說得해 마지막까지 성공시킨 張本人이다. 제임스 웨브 宇宙望遠鏡 亦是 13兆 원에 達하는 엄청난 費用이 들어갔기에, 반드시 成功하겠다는 다짐을 담아 根性의 아이콘인 제임스 웨브 局長의 이름을 넣은 決定은 그리 나쁘지 않았다고 본다.

只今도 熱心히 業務에 集中하고 있는 허블 宇宙望遠鏡은 1990年 처음 宇宙로 올라갔다. 아침 出勤길부터 이미 머릿속으로 退勤을 생각하는 것처럼, 宇宙의 새로운 눈으로 불리는 허블 宇宙望遠鏡이 올라가자마자 NASA는 뒤를 이을 다음 段階를 準備하기 始作했다. 그렇게 제임스 웨브 宇宙望遠鏡에 對한 計劃은 이미 1996年부터 차근차근 이뤄졌다. 雰圍氣가 좋던 初盤에는 2007年쯤 宇宙로 올라갈 豫定이었으나, 漸次 延期되면서 어쩔 수 없이 허블 宇宙望遠鏡의 性能을 改善하며 버티기에 들어갔다. 그로부터 4年 뒤, 늘어지는 日程 때문에 豫算 問題가 漸漸 深刻해지자 取消 直前까지 가기도 했다. 多幸히 이미 投入된 豫算을 言及하며 여기서 抛棄할 수 없다고 主張하는 科學者들 德分에 繼續 이어질 수 있었다. 하지만 마무리 段階에서 코로나19 事態가 全 世界를 强打했고, 그 餘波로 現場에서 원활한 作業이 이뤄지지 않아 開發 日程도 함께 늦춰졌다. 迂餘曲折 끝에 望遠鏡이 完成됐으나 이番에는 發射體에 싣다가 振動이 發生했고, 或是나 모를 部品 損傷 可能性을 考慮해 延期했다. 以後 發射體와 望遠鏡 사이에 通信 問題가 드러나면서 다시 미뤄졌다. 發射 直前인 지난해 12月에는 좋지 않은 날씨로 인해 어쩔 수 없이 크리스마스까지 演技해야 했다. 險難한 旅程을 오랫동안 걸어왔지만, 마침내 제임스 웨브 宇宙望遠鏡은 人類 歷史上 宇宙로 나간 가장 巨大한 宇宙望遠鏡으로서 金빛 거울을 활짝 펼치게 됐다.

멀리 떠나버린 理由는?

事實 進行 中인 宇宙 任務의 延期는 흔한 일이다. 하지만 唯獨 제임스 웨브 宇宙望遠鏡의 延期는 특별해 보인다. 그건 이 任務가 始作부터 끝까지 조금의 問題라도 있으면 決코 안 되는 完璧하고 精巧한 作業이기 때문이다. 先輩인 허블 宇宙望遠鏡의 境遇 宇宙로 나간 뒤 보내온 寫眞들이 뿌옇게 보이는 現象이 나타났다. 最初의 寫眞 亦是 期待値보다 훨씬 떨어지는 解像度를 보였고, 原因을 찾아보니 望遠鏡에서 核心인 光學系에 問題가 있었다. 週 反射鏡의 硏磨 過程에서 發生한 微細한 誤差로 생긴 球面 收差가 너무 深刻했다. 쉽게 말해 週 反射鏡은 멀리서 온 빛을 最大限 正確히 한 點에서 모아줘야 하는데, 거울 가장자리와 中心에서 各各 反射된 빛이 모이는 焦點 位置가 一致하지 않았다. 이를 解決하기 위해 當時 허블 宇宙望遠鏡이 保有한 光學系의 缺陷과 正確히 똑같은 誤差를 갖는 새로운 光學 裝備를 追加로 달아 逆으로 球面 收差를 바로잡는 修理를 했다. 以後에도 꾸준히 크고 작은 고장들을 繼續 修理하면서 처음 設計된 壽命보다 2倍 넘도록 如前히 使用하고 있다.

아쉽게도 이런 幸福한 結末은 제임스 웨브 宇宙望遠鏡에는 期待하기 어렵다. 왜냐하면 허블 宇宙望遠鏡처럼 地球 近處에서 돌고 있는 게 아니라, 너무 먼 곳으로 날아가 修理가 쉽지 않기 때문이다. 勿論 지난해부터 開發 中인 스페이스X의 스타십은 地球 周圍를 돌면서 燃料 普及이 可能하다. 100t假量을 실을 수 있는 巨大한 貨物칸度 保有하고 있다고 한다. 그래서 如此하면 宇宙望遠鏡을 修理하거나 回收하는 게 可能할 수도 있겠지만, 가장 좋은 건 壽命이 끝나는 날까지 고장 없이 잘 버텨주는 것이다. 甚至於 제임스 웨브 宇宙望遠鏡은 地球에서 달까지 距離보다 4倍나 멀리 떨어진 L2 포인트로 가기 때문에 一旦 發射 後에는 問題가 發見돼도 고칠 수 없다. L2 포인트는 天文學者 조제프 루이 라그랑주의 이름을 따서 ‘라그랑주點’으로 불리는 重力 평형점이다. 太陽과 地球에 對해 相對的으로 停止해 있을 수 있기에 宇宙 探査에서 매우 重要한 位置로 活用된다. 여기 놓인 探査船은 마치 登山하는 部長님과 常務님 사이에서 適當한 距離와 角度를 일정하게 維持하며 山을 오르는 新入社員처럼, 움직이는 太陽과 地球 사이에서 氣가 막히게 자리를 잡는다. 이렇게 重力이 巧妙하게 相殺되는 場所가 다섯 군데 있다. 恒常 地球를 등지고 太陽을 볼 수 있어 主로 太陽 觀測 衛星이 자리 잡는 L1 포인트와 이番에 제임스 웨브 宇宙望遠鏡이 到着한 L2 포인트를 除外한 나머지 라그랑주點은 너무 멀어서 人類가 活用하기 쉽지 않다. L2 포인트에 놓이면 太陽으로부터 멀리 떨어져 있어 地球보다 느리게 太陽 周圍를 空轉해야 한다. 그만큼 바로 앞에 있는 地球가 重力으로 당겨주기에 地球와 같은 週期로 함께 空轉할 수 있다.



現在 제임스 웨브 宇宙望遠鏡은 目的地인 L2 포인트에 잘 到着했다. 特異하게도 L2 포인트에 固定돼 있는 게 아니라, 작은 圓을 그리며 地球를 따라온다. 重力 평형점이라 해도 持續的인 太陽의 輻射壓이나 裝備의 作動으로 인해 밀리거나 姿勢가 틀어질 수 있다. 그래서 元 位置를 維持하기 위해서는 繼續 燃料를 써야 한다. 이러한 燃料 消耗를 줄이기 爲해 L2 포인트 近處에서 地球가 줄로 잡아 돌리는 것처럼 太陽과 地球 바깥쪽을 公轉한다. 한 點의 位置를 지키는 것보다 작은 원의 軌道를 維持하는 게 效率的이기 때문이다. 週 反射鏡의 지름은 허블 宇宙望遠鏡보다 2.5倍 큰 6.5m이지만, 그 代身 베릴륨이라는 가벼운 金屬을 核心 素材로 써 質量을 折半으로 줄였다. 宇宙로 探査船을 보내는 過程에서 重要한 苦悶거리 中 하나는 바로 巨大한 부피다. NASA는 이미 오래前부터 太陽電池板처럼 크게 펼치는 裝備를 最大限 效率的으로 올리기 위해 종이접기 技術을 活用했다. 이番 제임스 웨브 宇宙望遠鏡처럼 歷代級으로 巨大한 構造物 亦是 六角形의 거울 조각 18個를 包含해 꼼꼼히 접었다. 以後 날아가는 동안 微細한 도르래와 모터를 利用해 차근차근 접힌 몸을 完全히 폈다.

太初로 人類를 데려다줄 타임머신

種種 目的地까지 距離를 길이 單位가 아닌 時間으로 이야기하는 것처럼, 宇宙처럼 끝없이 넓은 空間에서는 거리가 곧 時間이다. 더 멀리 볼수록 오래前의 情報를 담은 빛을 만날 수 있다는 말이다. 제임스 웨브 宇宙望遠鏡은 허블 宇宙望遠鏡이 觀測한 過去보다 더 以前을 보고자 波長이 긴 赤外線으로 觀測한다. 赤外線을 꼼꼼히 모으기 위해 赤外線 反射率이 가장 높은 金으로 거울을 얇게 코팅했고, 裝備 自體에서 나오는 열에너지의 妨害를 받지 않기 爲해 極低溫 狀態를 維持해야 한다. 그래서 準備한 것이 바로 防牌처럼 생긴 다섯 겹의 遮光幕이다. 普通 赤外線 宇宙望遠鏡의 壽命이 짧은 理由는 冷却劑가 今方 떨어지기 때문이다. 제임스 웨브 宇宙望遠鏡은 太陽으로부터 最大限 먼 곳에서 테니스場 크기의 遮光幕으로 太陽빛을 막아 冷却劑 使用을 줄였다. 이로 인해 最小 5年 以上 壽命을 期待하고 있다.

想像 以上의 것들을 담아낼 宇宙望遠鏡

1月 31日 NASA는 제임스 웨브 宇宙望遠鏡의 모든 觀測 裝備에 全員이 供給되기 始作했다고 發表했다. 裝備들이 제대로 赤外線을 觀測하려면 極低溫까지 溫度를 떨어뜨려야 한다. 裝備가 켜진 後에는 目的地까지 到着하는 동안 얼지 않도록 稼動되던 暖房을 中斷하고 冷却을 始作했다. 제임스 웨브 宇宙望遠鏡은 18個 거울을 使用하다 보니 하나의 天體를 찍어도 18가지 이미지가 나온다. 이제부터는 제대로 된 寫眞을 찍기 위한 微細 整列 作業을 해야 한다. 近赤外線 카메라로 焦點을 맞추기 위해 地球로부터 241光年 떨어진 큰곰자리 方向의 HD 84406이라는 恒星을 撮影했고, 이를 10億 分의 1m 單位로 섬세하게 調整해 한 張의 鮮明한 이미지로 만들어낼 計劃이다.

제임스 웨브 宇宙望遠鏡이 찍은 公式的인 最初 天體 이미지는 6月 末쯤 公開될 豫定이다. 아마도 地球에서 16萬 光年假量 距離에 있고 밝기가 均一한 大마젤란銀河가 영광스러운 첫 寫眞의 主人公이 될 것으로 推測하고 있다. 如前히 內部가 베일에 싸인 銀河라 숨겨진 祕密의 실마리가 밝혀질지도 모른다. 빌 넬슨 NASA 局長은 제임스 웨브 宇宙望遠鏡이 人類를 宇宙가 始作하는 時點으로 데려갈 타임머신이라며, 想像해본 적 없는 놀라운 것들을 發見하게 될 것이라고 抱負를 밝혔다. 巨大한 人類 科學技術의 結晶體를 통해 最初의 별이나 銀河가 어떻게 形成됐는지도 알 수 있다. 外界 生命體의 存在나 生命의 起源에 對한 궁금症이 풀릴지도 모르는 幸福한 瞬間이다. 어쩌면 산타할아버지가 가져다줄 豫想치 못한 膳物 褓따리를 잔뜩 期待하며 巨大한 洋襪을 걸어두고 잠들던 어린 時節처럼, 이미 科學者들은 크리스마스에 發射된 제임스 웨브 宇宙望遠鏡이 가져다줄 멋진 膳物을 期待하며 마음껏 설레고 있으리라.

_{軌道는… 연세대 天文宇宙學科 學部 및 大學院을 卒業하고 韓國天文硏究院 宇宙監視센터와 연세대 宇宙飛行制御硏究室에서 勤務했다. ‘軌道’라는 藝名으로 팟캐스트 ‘課長窓’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 進行 中이며, 著書로는 ‘軌道의 科學 虛勢’가 있다.}