눈에 보이지 않는 빛 찾아…우주로 날아간 망원경

[윤복원의 물리상식으로 푸는 요즘 세상]물리학자의 시선으로 보는 우주탐사 역사 (7)
지구에선 가시광선 외엔 관측하기 어려워
대기에 차단되는 다른 빛 보려면 우주로

그림 1. 왼쪽 위: 튀코 브라헤가 1573년에 기록한 초신성 SN1572의 위치. SN1572는 카시오페이아 별자리에서 1572년 11월에 관측된 초신성으로 ‘튀코의 초신성’으로도 불린다. 그림에서는 I로 표시했다. 왼쪽 아래: 찬드라 엑스선 관측선이 2003년 4월29일에 찍은 초신성 SN1572의 잔해. 오른쪽 위: 요하네스 케플러가 1609년에 기록한 화성의 역행 움직임. 지구에서 보면 태양계 행성은 다른 별들과 달리 주기적으로 반대 방향으로 움직인다. 오른쪽 아래: 지구의 공전과 화성의 공전으로 화성의 역행 움직임을 설명하는 그림. 출처: Wikipedia Commons, NASA

1979년 독일에서는 사람 형상과 더불어 오리온 별자리로 추정되는 형상이 새겨져 있는 매머드 상아 조각이 발견됐다. 탄소 연대 측정 결과 그 상아 조각은 적어도 3만2500년 전에 만들어진 것임이 밝혀졌다.[1] 매머드 멸종 이전에도 인간이 별을 관측하고 기록했다는 흔적이다. 역사를 기록하기 시작한 이후에는 동서양을 망라하고 세계 곳곳에 천체 관측기록이 남아 있다. 문명과 함께 발달한 농업은 계절을 정확하게 예측하는 것이 필요했고, 이는 천체관측의 발전과 달력의 발명으로 이어졌다.

16세기 후반 튀코 브라헤는 방대하면서도 정확한 행성 관측 자료를 남겼고, 그의 제자이면서 후임이었던 요하네스 케플러는 이 자료를 분석해 찾아낸 행성운동 법칙을 17세기 초에 발표했다. 비슷한 시기에 망원경이 발명되면서 맨눈으로는 볼 수 없는 천체들도 볼 수 있게 되었고, 좀 더 정확한 천체 관측이 가능해졌다. 17세기 후반 아이작 뉴턴은 운동법칙과 중력법칙으로 천체의 움직임을 정확하게 설명할 수 있는 이론적 기반을 구축했고, 이는 근대 물리학의 초석이 되었다.

✅가시광선만 빛이 아니다

망원경의 도움을 받아도 눈으로 천체를 관측하면 가시광선으로만 본다는 한계가 있다. 그런데 빛에는 맨눈으로 볼 수 있는 가시광선만 있는 것이 아니다. 프리즘을 통과해 나뉜 빛의 빨간색 빛 바깥쪽에는 파장이 더 길고 광자 에너지가 더 작은 적외선이 있고, 보라색 빛 바깥쪽에는 파장이 더 짧고 광자 에너지가 더 큰 자외선이 있다. 적외선과 자외선으로 처음 사진을 찍은 때는 1910년이다.[2] 이때가 가시광선이 아닌 빛으로 볼 수 있게 된 시점이다. 태양만 해도 가시광선, 적외선, 자외선은 물론이고 적외선보다도 파장이 더 긴 마이크로파와 전파, 그리고 자외선보다 파장이 더 짧은 엑스선과 감마선까지 거의 모든 종류의 빛을 만든다. 전기·전자 기술 발달로 이 빛들도 감지할 수 있는 장치가 개발되면서, 눈으로 볼 수 없는 천체를 관측할 수 있는 기술적 기반이 마련되었다.

가시광선이 아닌 빛으로 천체를 관측하는 데는 큰 걸림돌이 하나 있다. 바로 지구의 대기다. 사람 눈으로 볼 수 있는 가시광선은 지구의 대기를 잘 통과하지만, 다른 빛은 지구 대기에 의해 차단되는 경우가 많다. 이 때문에 지상에서는 가시광선이 아닌 다른 빛으로 천체를 관측하는 것이 어렵다. 가시광선으로 관측하는 것도 지구 대기로 인해 흐릿해지고 흔들리는 문제가 있다. 높은 산에 더 큰 천문대를 만드는 방식으로 이런 문제들을 일부 해결했지만, 이것만으로는 인간의 우주를 향한 과학적 호기심을 충족하지 못했다. 본격적으로 우주개발이 시작된 이후에는 지구 대기의 영향을 받지 않는 우주에 망원경을 설치하기에 이르렀다.

다른 우주 탐사선과 마찬가지로 우주망원경도 지구와의 통신이 필수다. 지구의 대기는 다행히 전파의 일부를 거의 그대로 통과한다. 이 전파를 사용하면, 우주망원경이 지구 대기의 영향을 거의 받지 않고 지구와 통신할 수 있다. 탐사선이나 우주망원경이 먼 우주로 갈수록 지구에 닿는 전파의 세기가 작아져 통신이 어려워지지만, 과학기술이 발전하면서 이 문제도 조금씩 해결해가고 있다.

그림 2. 지구의 대기가 빛을 차단하는 정도. 파장이 짧고 광자 에너지가 큰 감마선과 엑스선은 거의 다 차단한다. 자외선은 가시광선 부근의 일부를 제외하고 대부분을 차단한다. 맨눈으로 볼 수 있는 가시광선은 대부분 지구 대기를 통과한다. 가시광선보다 파장이 길고 광자 에너지가 작은 적외선, 마이크로파, 전파는 일부는 차단하고 일부는 통과한다. 출처: Wikimedia Commons

✅지구 주위를 공전하는 우주망원경

지구 주위를 도는 공전궤도에 안착해 우주를 관측한 최초의 우주망원경은 미 항공우주국(나사)이 개발한 자외선 우주망원경 ‘천문관측위성 2호’(OAO-2: Orbiting Astronomical Observatory 2)다. 1968년 12월7일에 발사된 이 위성은 770km 상공의 공전궤도를 돌면서 우주 전체의 10%에 걸쳐 8500장의 영상을 촬영했다. 또 이를 바탕으로 자외선으로 관측한 5068개의 별 목록을 만들었다. 혜성을 둘러싼 수소 헤일로(Halo)도 발견했다.[3] 지구의 대기가 차단하는 자외선 영역의 빛을 내기 때문에 지상 천체 망원경으로는 볼 수 없었던 것이었다. 1966년에 이미 천문관측위성 1호를 발사했지만, 전력공급이 되지 않으면서 작동하는 데 실패한 기록이 있다.

천문관측위성 2호 이후 많은 우주망원경이 지구 주위를 도는 궤도에 올려졌다. 이 가운데 주목할 만한 우주망원경은 나사의 우주배경 탐사선 코비(COBE=COsmic Background Explorer)이다. 최초의 마이크로파 우주망원경이었던 코비는 1989년 11월18일에 발사된 후 지구 900km 상공을 돌면서 빅뱅 우주론의 증거인 우주 마이크로파 배경을 관측했다. 우주 마이크로파 배경의 비등방성을 측정한 코비의 결과로 조지 스무트와 존 매더는 2006년 노벨 물리학상을 받았다.[4]

그림 3. 윗줄 왼쪽부터 시계방향으로 천문관측위성 2호, 우주배경 탐사선 코비, 그리고 허블 우주망원경. 최초의 우주망원경인 천문관측위성 2호(왼쪽 위)는 자외선으로 별을 관측했고, 혜성 주위의 수소 헤일로도 발견했다. 첫 우주배경 탐사선인 코비(오른쪽 위)는 노벨 물리학상 업적인 우주 마이크로파 배경의 비등방성을 측정했다. 우주왕복선이 설치한 허블 우주망원경(아래)은 선명한 우주의 사진을 본격적으로 제공한 우주망원경이다. 사진 출처: NASA

허블 우주망원경은 본격적으로 먼 우주의 선명한 사진을 촬영한 우주망원경이다.

나사와 유럽우주국(ESA)이 공동 제작한 허블 우주망원경은 1990년 4월24일 우주왕복선 디스커버리호에 실려 지구 공전궤도에 올려졌다. 주로 가시광선으로 관측하지만 자외선과 적외선 일부로도 관측한다. 2009년까지 5번의 정비와 성능 개선을 했다. 더 멀리 떨어진 은하일수록 더 빨리 멀어진다는 허블-르메트르 법칙의 허블 상수 추정값 오차를 10% 이내로 줄이는 성과를 냈다. 허블 우주망원경이 관측한 결과를 분석해 출판한 논문 수는 1만5000편이 넘는다.[5] 540km 상공의 궤도를 도는 허블 우주망원경은 2023년 현재도 작동하고 있다. 하지만 최근 비슷한 높이의 궤도를 돌면서 위성통신 서비스를 하는 스페이스엑스의 스타링크 인공위성이 허블 우주망원경의 관측에 영향을 끼친다는 논란이 있다.[6]

허블 우주망원경은 나사의 ‘대형 관측선 프로그램’의 첫번째 우주망원경이다. 다른 영역의 빛으로 관측하는 우주망원경을 순차적으로 발사하는 이 프로그램의 두번째 우주망원경은 ‘콤프턴 감마선 관측선’이다. 1991년 4월5일 애틀랜티스 우주왕복선에 실려 발사되었고, 파장이 매우 짧고 광자 에너지가 큰 감마선으로 관측했다.[7] 우주에서 가장 강력하고 밝은 폭발인 감마선 폭발이 일어난 위치를 기록한 우주지도를 만든 것이 대표적인 성과다. 이를 통해 감마선 폭발이 우주 전역에서 일어나는 현상임을 밝혔다.

대형 관측선 프로그램의 세번째 우주망원경은 ‘찬드라 엑스선 관측선’으로 1999년 7월23일 컬럼비아 우주왕복선에 실려 발사됐다. 감마선보다는 파장이 길고 자외선보다는 파장이 짧은 엑스선으로 관측하는 우주망원경이다.[8] 초신성 폭발로 만들어진 초신성 잔해, 은하의 중심에 있는 거대 블랙홀에서 나오는 엑스선, 은하단이 합쳐지면서 나오는 엑스선 등을 관측했다.

그림 4. ‘신의 눈동자’로 불리는 나선 성운. 위는 허블 우주망원경과 칠레의 톨롤로 범미 천문대의 가시광선 관측사진, 아래는 스피처 우주망원경의 적외선 관측사진. 출처: NASA/ESA

✅ 태양 주위를 도는 우주망원경

지구 주위를 공전하는 우주망원경의 문제점은 지구가 특정 관측 방향을 주기적으로 가린다는 것이다. 망원경이 태양 쪽에 위치하는 동안, 태양 반대쪽 우주는 지구에 의해 가려지기 때문에 관측하지 못한다. 이 문제를 해결하는 방법의 하나는 지구 주위를 공전하지 않고 지구에서 충분히 떨어진 곳에서 태양 주위를 공전하면서 관측하면 해결할 수 있다.

‘대형 관측선 프로그램’의 마지막 우주망원경인 스피처 우주망원경은 태양 주위를 공전하는 우주망원경이다. 적외선 우주망원경으로 2003년 8월25일 발사되었다. 발사 후 초기에는 지구를 가까이 따라오다가 시간이 지나면서 지구에서 점점 멀어지는 ‘지구를 뒤따르는 궤도’(Earth trailing orbit)를 돈 최초의 우주망원경이다. 이 궤도는 액체헬륨으로 관측장치를 냉각해 절대 온도 0도에 가까운 초저온에서 관측하는 스피처 우주망원경의 초기 임무를 가능하게 했다. 지구에서 충분히 멀리 떨어진 거리가 지구에서 나오는 열의 영향을 줄일 수 있기 때문이다. 스피처 우주망원경은 액체 헬륨을 소진한 이후에도 충분히 낮은 온도를 유지하면서 관측 임무를 수행했다.[9] 2009년 3월7일 발사된 케플러 우주망원경도 ‘지구를 뒤따르는 궤도’를 돌면서 외계행성 관측을 수행했다. 케플러 우주망원경은 53만개 이상의 별을 관측하면서 2778개의 외계행성을 발견했다.[10]

한편 태양이 내뿜는 빛, 지구와 달이 반사하는 태양 빛, 그리고 지구에서 인간이 만드는 빛과 전파는 정밀한 우주 관측에 방해된다. 지구 자기장이 약해지는 곳에서는 태양에서 방출하는 입자인 태양풍도 전자장비에 안 좋은 영향을 끼친다. 많은 양의 관측 데이터를 충분히 빠른 속도로 제때 받으려면, 지구에서 너무 멀리 떨어져 있어도 안된다. 빛, 전파, 태양풍을 한 방향에서 모두 차단할 수 있고 지구에서 너무 멀지 않은 조건을 모두 만족하는 위치의 한 곳이 ‘태양-지구 L2 라그랑주점’(Lagrange point)이다.

그림 5. 태양-지구 라그랑주점. 모두 5개의 라그랑주점이 있다. 주로 L2 라그랑주점 주위를 도는 헤일로 궤도나 리사주 궤도에 우주망원경을 설치한다. 태양을 관측하는 우주망원경은 태양을 볼 때 지구를 등지는 L1 라그랑주점에 설치한다.

✅라그랑주 점에 설치된 우주망원경

태양-지구 라그랑주점은 태양과 지구의 중력의 영향을 받으면서 상대적인 위치를 유지하는 위치로 모두 5개가 있다. L2 라그랑주점은 지구에서 태양 반대 방향으로 약 150만km 떨어진 곳이다. 원래 지구보다 태양에서 더 멀리 떨어진 곳에서는 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간인 공전주기가 지구보다 길지만, L2 라그랑주점에서는 지구가 태양 쪽으로 끌어당기는 중력이 더해지면서 공전주기가 지구의 공전주기와 같아진다. 지구와 같이 공전하면서 지구를 기준으로 항상 태양의 반대 쪽에 위치하는 곳이다.

L2 라그랑주점에서는 태양과 지구, 그리고 달이 거의 한 쪽 방향에 몰려 있어서 태양, 지구, 달에서부터의 빛뿐만 아니라 태양풍도 한꺼번에 차단할 수 있다. 지구에서 너무 멀리 떨어져 있지도 않아 지구로 관측 데이터를 보내는 통신도 비교적 수월하다. 태양 반대쪽의 우주를 관측하기에 아주 좋은 조건이다. 하지만 L2 라그랑주점은 정확한 위치에서 조금만 벗어나도 점점 더 많이 벗어나는 불안정한 위치다. 이 때문에 우주망원경은 L2 라그랑주점에 위치하는 대신 조금 떨어진 거리에서 L2 라그랑주점 주위를 도는 헤일로 궤도(halo orbit)나 리사주 궤도(Lissajous orbit)를 도는 방식으로 위치를 유지한다.[11] 그 과정에서 궤도 수정을 하는 추진 시스템의 사용도 필요하다.

그림 6. 우주 마이크로파 배경 관측의 해상도 변화. 출처: NASA, ESA

태양-지구 L2 라그랑주점에 설치된 최초의 우주망원경은 나사의 우주배경 탐사선 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe: 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기)이다. 2001년 6월30일 발사된 WMAP은 L2 라그랑주점 주위의 리사주 궤도를 돌면서 약 2년 동안 코비보다 더 높은 해상도로 우주 마이크로파 배경을 측정했다.[12] 2009년 발사된 유럽우주국의 우주배경 탐사선 플랑크 우주망원경도 L2 라그랑주점 주위의 리사주 궤도 위에 설치되었고, WMAP보다 더 정밀하게 우주 마이크로파 배경을 측정했다.[13]

2021년 12월25일 발사돼 요즘 왕성한 관측 활동을 벌이고 있는 제임스웹 우주망원경도 L2 라그랑주점 주위를 도는 헤일로 궤도에 설치됐다. 허블 우주망원경보다 훨씬 더 높은 해상도의 선명한 우주 영상을 제공하고 있고, 분광기를 이용해 외계행성의 대기에 어떤 성분이 있는지 분석하는 등 활발한 관측 활동을 하고 있다.[14] 2023년 7월1일 발사돼 L2 라그랑주점으로 향하고 있는 유럽연합의 유클리드 우주망원경은 암흑에너지와 암흑물질 연구를 위한 측정을 수행할 예정이다.

그림 7. 허블 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경이 찍은 창조의 기둥(약 7000광년 떨어진 독수리 성운의 성간 가스와 성간 먼지 덩어리). 위는 허블 우주망원경이 2014년에 촬영한 것, 아래는 제임스웹 우주망원경이 2022년에 촬영한 것. 사진 출처: NASA, ESA

L1은 L2와는 반대로 지구에서 태양 쪽으로 150만km 떨어진 곳이다. 지구보다 태양에 더 가까운 위치에서 지구를 등지고 지구와 같은 공전주기로 태양 주위를 공전하는 위치다. 이 위치에서는 아무런 장애물 없이 태양을 비롯한 지구 공전궤도 안쪽을 끊임없이 관찰할 수 있다. L1도 L2와 마찬가지로 불안정한 위치이기 때문에, L1을 도는 헤일로 궤도나 리사주 궤도를 돌면서 위치를 유지한다.

유럽과 나사가 합작해 만든 소호 태양관측선(SOHO)은 L1 주위의 헤일로 궤도를 도는 우주망원경이다. 1995년 12월2일 발사된 후 27년이 지난 지금도 활동하고 있다.[15] 이 우주망원경은 태양을 관측할 뿐 아니라 4000개 이상의 새로운 혜성도 발견했다.

주)

[1] “'Oldest star chart' found”, BBC News Word Edition, 2003년 1월 21일, http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/2679675.stm

[2] “First invisible radiation photography”, B. S. Beck, https://benbeck.co.uk/firsts/1_Technology/invisible.htm

[3] “NASA’s First Stellar Observatory, OAO 2, Turns 50”, NASA, https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasa-s-first-stellar-observatory-oao-2-turns-50

“Ultraviolet Observations Comets”, A. D. Code, T. E. Houck, and C. F. Lillie, NASA (1972), https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19720024170/downloads/19720024170.pdf

[4] “COBE | Science Mission Directorate”, NASA, https://science.nasa.gov/missions/cobe

[5] “Hubble Space Telescope (HST) - the NSSDCA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1990-037B

[6] “Hubble Space Telescope images increasingly affected by Starlink satellite streaks”, R. Lea, Space.com, 2023년 3월 10일, https://www.space.com/hubble-images-spoiled-starlink-satellite-steaks

[7] “Compton Gamma-Ray Observatory - the NSSDCA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1991-027B

[8] “Chandra X-ray Observatory - the NSSDCA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1999-040B

[9] “10 Things: Spitzer Space Telescope”, NASA, https://solarsystem.nasa.gov/news/513/10-things-spitzer-space-telescope/

“Spitzer Space Telescope - the NSSDCA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=2003-038A

[10] “Kepler - NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=2009-011A“Kepler Space Telescope”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Kepler_space_telescope

[11] 헤일로 궤도는 주기적으로 도는 타원과 비슷한 모양의 궤도이고, 리사주 궤도는 한쪽 방향의 주기와 다른쪽 방향의 주기가 달라 도는 모양이 계속 변하는 궤도이다.

[12] “WMAP - NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=2001-027A

[13] “Planck - NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=2009-026B

[14] “James Webb Space Telescope - the NSSDCA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=2021-130A

[15] “SOHO - NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1995-065A

윤복원/미국 조지아공대 연구원(전산재료과학센터·물리학) bwyoon@gmail.com