HST vs. JWST

Jaeil CHO

Since James Web Space Telescope (JWST)’s launch on the 25th of December 2021, new era of astronomy has begun. We can see totally different universe ever seen before. This success would not be possible without the previous Hubble Space Telescope (HST)’s early failure. JWST is considered as a successor of HST. But it is not true. One thing in common of these two telescopes is that they are in space. They have different primary mirror, orbit, observing wavelength and scientific instruments. Probably they have the same scientific goal : revealing the origin of the Universe and life. In this article I will explain differences of JWST and HST and introduce their achievements. Furthermore I will discuss whether JWST is really a successor or substitute of HST.

들어가며

천문학을 잘 모르는 사람이라도 비록 허블이 유명한 천문학자라는 사실을 몰라도 허블우주망원경은 한 번쯤 들어보았을 것이다. HST가 발사된 지 30년이 넘는 시간 동안 천문학 발전에 지대한 공헌을 한 것은 부정할 수 없는 사실이다. 그리고 일반인이 접하는 화려한 천체사진은 대부분 HST가 촬영한 것이다. 하지만 새롭고 더 강력한 우주망원경이 2021년 12월 25일에 우주로 올라갔다. 이름하여 제임스웹 우주망원경이다. 발사된 지 2년이 채 되지도 않았는데 천문학자들은 새로운 발견을 많이 내어놓고 대중의 관심도 뜨겁다.

본 글에서는 HST와 JWST의 차이점을 설명하고 주요 연구결과를 소개하고자 한다. 또한, 정말로 JWST가 HST의 후계자(또는 대체자)인지 이야기하려고 한다.

서 론

천문학의 발전은 관측도구(망원경)의 발전이라 해도 과언이 아니다. 인간의 눈으로만 천체를 관측하다 갈릴레이 갈릴레오가 망원경으로 밤하늘을 보기 시작함으로써 천문학의 새로운 지평이 열렸다. 이후 천문학자들은 경쟁적으로 큰 망원경을 만들기 시작했다. 일례로 영국의 윌리엄 허셜은 직경 1.26m 반사망원경을 만들어 토성의 새로운 2개의 위성(미마스, 엔켈라두스)을 발견하였다. 20세기 초부터 2m급 망원경(2.5m 후커 망원경)이 제작되었고 1970~80년대에 4m급 망원경(Mayall, Blanco, William Herschel, MMT)이 설치되었다. 그리고 8m급 망원경(VLT, Gemini, Subaru)이 1990년대 후반에 만들어졌다. 하나의 미러로 주경을 만드는 데는 한계가 있어 육각형 모양의 거울을 이어붙여 더 큰 주경을 만들었는데 대표적인 것이 하와이 마우나 키의 10m Keck 망원경이다. 앞으로는 훨씬 큰 망원경(GMT, EHT)이 설치될 예정이다.

하지만 이러한 지상망원경은 필연적으로 지구 대기를 통과한 천체의 빛을 관측하게 된다. 천체에서 발산된 빛이 대기를 통과하면서 상이 뒤틀어지거나 가시광선, 적외선 일부, 전파를 제외한 나머지 파장대의 빛은 대기에 의해 흡수되거나 반사된다. 이러한 대기의 간섭을 없애는 궁극적인 방법은 우주로 망원경을 올려보내는 것이다.

우주망원경의 시작

처음으로 망원경을 우주에 설치하는 것을 논의한 것은 독일의 두 천문학자인 빌헬름 비어(Wilhelm Beer)와 요한 메들러(Johann Mädler)이다. 이들은 당대 가장 정확한 달지도를 만들었고 1837년에 달에 천문대를 만드는 것에 의견을 나누었다. 20세기 중반에 라이먼 스피쳐(Lyman Spitzer)가 우주에 망원경을 올려보낼 것을 제안하였다.

허블우주망원경은 1970년대에 유럽우주국(ESA)의 협력으로 미항공우주국(NASA)이 예산을 투입하여 제작하기 시작하였다. 원래 발사 목표해는 1983년이었으나, 예산과 기술적인 문제에 이어 챌린저호 참사로 인해 발사일정에 차질을 빚었다. 드디어 1990년 4월 24일에 케네디우주센터에서 디스커버리호에 실려 발사되었다.

허블우주망원경은 직경 2.4 m 반사경을 가지고 있으며, 약 540 km 고도에서 95분 주기로 지구를 공전하고 있다. 최초 장착된 관측 장비는 5개로 the Wide Field and Planetary Camera (WF/PC), Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS), High Speed Photometer (HSP), Faint Object Camera (FOC) and the Faint Object Spectrograph (FOS)가 있었으나, 현재는 Advanced Camera for Surveys (ACS), Cosmic Origins Spectrograph (COS), Fine Guidance Sensor (FGS), Wide Field Camera 3 (WFC3)만 운용 중이다.

하지만 허블우주망원경이 보내온 초기 이미지는 상당히 실망스러웠다. 별의 시상이 기대한 것보다 훨씬 나빴기 때문이다. 분석 결과 주경의 바깥 부분이 너무 평편하게 가공되어 구면수차가 발생한 것이다. 천문학자들은 이 결함을 소프트웨어적으로 어느 정도 보정하였다. 하지만 이러한 방법은 근본적인 해결책이 될 수 없었다. 백업 미러가 있긴 하지만 우주에서 미러를 교체하기에는 사실상 불가능하고, 망원경을 지상으로 가져와 교체하여 다시 올려보내기에는 엄청난 비용과 시간이 소모된다. 그리하여 구면수차를 상쇄할 다른 광학적 기기를 Servicing Mission으로 설치하였다. 이후 4번의 추가적인 Servicing Mission을 통해 관측기기(카메라, 분광기 등), 자이로스코프, 배터리, 컴퓨터 등을 교체하였다.

허블우주망원경이 가동된 지 30년이 넘는 시간 동안 천문학적으로 엄청난 성과를 이루어내었다. 대표적인 몇 가지를 소개하자면, 멀리 있는 은하의 초신성 관측으로 우주가 가속팽창하고 있다는 사실을 밝혀내어 3명의 천문학자(솔 펄머터, 브라이언 슈미트, 애담 리스)가 2011년 노벨 물리학상을 수상하였다. 1960년대 초에 몇몇 은하의 중심부에는 블랙홀이 있을 수도 있다고 여겨졌고 1980년대에는 수많은 블랙홀 후보군을 확인하였다. 허블우주망원경으로 대부분의 은하 중심부에는 블랙홀이 존재한다는 사실을 밝혀냈고, 블랙홀의 질량과 은하의 특성이 상관관계가 있다는 것을 알아냈다. 이외에도 목성의 위성인 가니메데에서 오로라를 관측하고 지표 밑에 바다가 있음을 밝혀냈다.

본인은 박사학위 과정 중에 지도교수와 다른 나라의 천문학자들과 함께 허블우주망원경 관측제안서를 제출하여 허블우주망원경 관측시간을 획득하였다. 이때의 연구주제는 낮은 밀도에서의 은하의 구상성단계 연구였다. 기존의 외부은하 구상성단계 연구는 주로 은하단에 있는 은하에 집중되었다. 따라서 환경이 은하의 진화에 어떠한 영향을 미치는지 연구하기 위하여 우리는 상대적으로 은하 밀도가 낮은 곳에 관심을 가졌다. 허블우주망원경의 관측시간을 얻는 것은 상당히 경쟁이 치열하므로 천문학자라면 누구나 허블시간을 얻는 것을 원하며, 관측시간을 획득하면 영광스럽게 생각한다.

관측제안서를 준비할 때 본인이 낮은 밀도에 있는 은하 10개를 선정하였고, 제안서가 선정된 후 어떠한 필터를 사용하여 몇 초로 관측할건지 결정하여 관측이 이루어졌다. 관측 후 데이터를 내려받아 이미지를 처리하고 분석하여 박사학위 논문에 포함시켰다.

Fig. 1. Comparison of colour peaks with ACSVCS.3) The black symbols are from our results, while the grey symbols are from ACSVCS. The dark sold lines are a linear fit to each subpopulation from our results, whereas the grey solid lines are linear fits by ACSVCS.

이 연구결과에 대해 간략히 설명드리자면, 그림 1의 그래프1)로 요약된다. 대부분의 거대 타원은하의 구상성단의 색분포는 두 개의 피크를 가지는 Bimodality를 보이는데 구상성단의 색은 구상성단의 중원소2) 함량과 연관된다. 중원소 함량이 많을수록 붉은색, 적을수록 푸른색을 띤다. 이 경향이 은하의 밝기(질량)와 연관되어 있다. 즉, 밝은 은하일수록 Bimodality가 선명하게 나타나고 은하가 어두워질수록 푸른 쪽 피크만 남게 되는 것이다. 밀도가 낮은 은하의 이러한 경향성이 밀도가 높은 은하단보다 더 가파르게 진행됨을 보여주었다(그림 1).

Fig. 2. Hickson Compact Group 90: NGC 7173 (left), NGC 7174 (middle right) and NGC 7176 (lower right). (Credit: NASA, ESA, R. Sharples)

귀국 후 지도교수한테서 이메일이 와서 우리가 관측한 10개 이미지 중 하나가 Astronomy Picture of the Day(APOD)에 올라왔다고 알려줬다(그림 2). APOD는 매일 이슈가 되거나 흥미로운 천문사진을 올리는 나사의 공식 웹사이트이다. 천문학자나 일반인이 촬영한 사진이 올라오는데 사진의 원작자는 상당히 자랑스러워 한다. HST 관측제안서를 준비하면서 관측대상을 본인이 직접 선정할 때 NGC7173 타원은하가 후보군에 포함되었다. 다른 관측 이미지를 확인해본 결과 이 은하는 Hickson Compact Group 90의 세 은하(NGN 7173, NGC 7174, NGC 7176) 중 한 개라는 것을 확인하였다. 낮은 밀도의 은하를 관측하고자 하는 우리의 목적에 반하는 것 같지만 상호작용하는 은하의 구상성단계 특성을 연구하는 것도 좋을 것 같아 최종 관측대상에 포함했다. 본인 이후에 들어온 박사과정 학생이 이 은하군의 구상단계를 분석하여 상당히 젊은 성단이 존재한다는 것을 밝혀냈다.4)

2020년은 허블우주망원경 발사 30주년 되는 해였다. 이때 허블우주망원경 30주년 기념 특별 사진영상전을 본인이 기획하였다. 이 전시에서 사진 20여 점과 영상 2편을 전시하여, 코로나19 감염병이 한창 유행하던 때임에도 불구하고 전시기간(’20.5.23.~8.30.) 동안 총 10,213명이 HST의 훌륭한 사진을 관람하고 업적을 알 수 있는 기회를 가졌다.

새로운 우주망원경의 등장

허블우주망원경이 우주로 올라가기 전인 1980년대에 HST의 후속 우주망원경에 대한 논의가 있었고, 1990년대 초에 진지한 계획이 시작되었다. HST가 근자외선-가시광선-근적외선 파장대를 관측할 수 있는 반면 새로운 우주망원경은 적외선 위주로 관측하는 것으로 논의되었고, 차세대우주망원경(Next Generation Space Telescope, NGST)으로 명명되었다. 본인이 대학 학부시절 때, 전공과목 수업을 들으면 교수님이 NGST에 대해 말씀하시곤 하였다.

2002년에 NGST가 나사의 두 번째 국장인 제임스 웹(James Webb)의 이름을 따서 제임스웹 우주망원경(James Webb Spasc Telescope, JWST)으로 이름이 바뀌었다. 제임스 웹은 NASA 국장 시절 머큐리, 제미니, 아폴로 미션을 성공적으로 완수하였다. JWST는 최초 계획상 2007년 발사가 목표였지만, 기술적 예산적 문제로 수차례 연기되었다.

본격적인 세부 설계는 2007년부터 시작하여 2016년 11월에 완성되었다. 이렇게 완성된 JWST의 광학계는 18개의 육각형 반사경으로 이루어진 직경 6.5 m의 주경과 0.74 m의 부경으로 이루어져 있다. 관측 가능한 파장대는 파장이 긴 가시광선-근적외선-중적외선이다. HST와 다르게 JWST는 적외선 관측이 주목적이기 때문에 열에 상당히 민감하다. 아주 약한 열에도 이미지에 큰 노이즈를 일으킬 수 있다. 따라서 허블에는 없는 태양 차양막을 설치하였다. 또한 지구로부터 가능한 멀리 떨어져야 하므로 지구에서 1,500,000 km 떨어져 있는 태양-지구 라그랑지 2 (L2) 지점5)에 놓게 되었다.

L2 지점에 망원경을 놓게 되면 태양, 지구, 달의 열로부터는 자유로울 수도 있지만 HST처럼 Service Mission이 사실상 불가능하다. 그렇기 때문에 HST의 미러 가공 실패와 같은 일이 일어나지 않기 위해 발사 일정이 미뤄지더라도 발사 전 수많은 테스트를 거치게 된 것이다. 앞으로 JWST에 대한 Service Mission은 없으리라는 것이 NASA의 입장이지만 앞으로 로봇기술이 발달하면 무인으로 수리도 가능하지 않을까 싶다.

JWST에 탑재된 과학관측기기는 4종류(Mid-Infrared Instrument (MIRI), Near-Infrared Camera (NIRCam), Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph/Fine Guidance Sensor (NIRISS/FGS))가 있는데, 모두 긴 파장대의 가시광선과 적외선 관측에 집중되어 있다. 이러한 관측기기는 카메라, 분광기, 코로나그라프6) 등으로 구성되어 있다.

JWST의 총괄 기관은 NASA이지만 유럽우주국(ESA)과 캐나다우주국(CSA)도 개발에 참여하였다. ESA는 분광기인 NIRSpec와 아리안5호 발사체를 제공하였고, CSA는 NIRISS/FGS를 개발하였다. 이외 15개국의 수천 명의 과학자, 엔지니어와 기술자가 참여하였다.

표 1은 HST와 JWST의 차이점을 비교한 것이다.

Table 1. Comparison of HST and JWST.

조립이 완성된 JWST는 마치 종이접기를 하듯이 접혀 발사체 최상단부에 실렸고, 2021년 12월 25일 12:20 (UTC)에 프랑스령 기아나의 기아나 우주센터에서 아리안 5호에 의해 발사되었다. 30여 일간의 비행 끝에 2022년 1월 24일에 L2 지점에 도착하였다. L2 지점으로 가는 도중에 다음과 같이 순차적으로 전개(deployment)가 진행되었다. 태양 패널과 안테나가 순차적으로 자동으로 펼쳐졌고, 이후 전개는 지상국의 명령에 따라 진행되었다. 태양 차양막 팔레트가 펼쳐진 후 주경과 부경 등 광학계가 포함되어 있는 Deployable Tower Assembly (DTA)가 망원경 본체에서 1.22 m 위로 올라왔다. 태양 차양막에 영향을 줄 수 있는 태양 압력을 상쇄해주는 모멘텀 플랩을 펼친 후 태양 차양막 덮개를 열었다. 이후 태양 차양막 좌우를 펼치고 5개의 차양막 층이 분리되고, 차양막이 팽팽하게 펴졌다. 이후 부경이 펼쳐졌고, 주경의 양 날개가 펼쳐졌다. 이로써 JWST의 전개가 완성되었다.

Fig. 3. SMACS 0723 galaxy cluster released as the first JWST image. (Credit: NASA, ESA, CSA)

JWST의 과학적 임무는 4가지로 요약된다. 1) 빅뱅 이후 우주의 1세대 별과 은하의 빛 찾기, 2) 은하 형성과 진화 연구, 3) 항성과 행성의 형성 이해, 4) 행성계와 생명의 기원 연구. 이러한 과학적 목적을 달성하기 위해서는 앞서 말했듯이 적외선 관측으로만 가능하다. 초기우주에서 발산된 빛들은 우주가 팽창함에 따라 파장이 길어지는데, 이것이 지구에서 적외선 영역에서 관측된다. 그리고 적외선은 가시광선보다 성간물질의 방해를 덜 받으므로 짙은 성운 내부의 항성과 행성의 형성과정을 관측할 수 있다.

L2 지점에 도착 후 약 6개월 후인 7월 11일에 백악관에서 조 바이든 미대통령이 JWST가 촬영한 컬러이미지를 최초로 공개하였다(그림 3). 이 이미지는 남반구의 날치자리에 있는 SMACS 0723 은하단을 촬영한 것으로 지금까지 적외선 관측 중 가장 딥한 것이다. 이 이미지에는 46억 년 전의 수천 개의 은하가 포착됐고, 아크 모양의 천체는 더 먼 은하들이 중력렌즈 현상에 의해 휘어지게 보였다.

이제 JWST의 초기 성과를 알아보자.

JWST로 최초로 외계행성을 직접 관측하는 데 성공하였다. 이 행성은 가스행성으로 HIP 65426이라는 별에서 태양에서 지구까지 약 100배의 거리에 있으며, 목성 질량의 약 6~12배 무게를 가진다. 이 행성은 유럽남방천문대(ESO)의 VLT로 관측되었으나, 4개의 필터로 관측한 JWST는 더 많은 사실을 밝혀낼 것이다.

앞서 언급했듯이 JWST의 중요한 임무 중의 하나는 최초의 별과 은하를 찾는 것이다. 이러한 목표의 가능성을 보여준 관측이 있는데, 빅뱅 이후 2억 3천5백만 년에서 2억 8천만 년 동안의 은하들을 관측한 것이다. 우주의 나이 138억 년의 불과 2% 때의 은하인 것이다. 하지만 이러한 연구에는 반드시 교차검증이 필요하다. 은하까지의 거리(나이)를 계산할 때는 흔히 적색편이를 사용하는데, 이 적색편이를 구하는 방법이 크게 두 가지 방법이 있다. 다중 필터를 활용한 측광학적 적색편이와 분광학적 적색편이가 있다. 일반적으로 분광학적 적색편이가 측광학적인 것보다 정확한 것으로 알려져 있다. 일례를 들자면, CEERS팀이 CEERS-93316 은하는 적색편이가 16.4라면서 가장 멀리 있는 은하를 발견했다고 발표하였으나 이후 분광관측을 통해 적색편이 4.9라고 밝혀졌다.

Fig. 4. Spectroscopic data of WASP-96b. (Credit: NASA, ESA, CSA)

외계행성과 관련된 또 다른 발견은 WASP-96b 외계행성의 대기에 물, 구름, 안개가 존재한다는 것이다. 이 외계행성은 JWST가 관측하기 전에 이미 발견된 행성이나 대기의 성분까지는 정확히 알려지지 않았다. 이 데이터도 2022년 7월 JWST 최초 사진발표 때 공개되었다(그림 4). 이 데이터는 JWST의 근적외선 카메라(NIRCam)와 NIRISS 분광기로 얻어졌는데, 행성의 대기를 통과한 별빛과 행성이 별 옆으로 비켰을 때 행성대기를 비교해서 만들어진 것이다. 이 스펙트럼으로 행성에 물이 존재한다는 것을 알 수 있고 피크의 위치와 높이로 특정 가스가 얼마나 있는지를 알 수 있다. 그리고 모델링을 통해 행성대기의 특성을 유추해 낼 수 있다.

천문학에서 관측 데이터와 이론적인 모델링을 비교하는 것은 매우 흔한 연구 방법이다. 다른 자연과학 연구에도 많이 사용되리라 생각한다. 예를 들자면, 성단의 측광 데이터와 항성진화 모델링을 비교해서 성단의 나이와 중원소 함량을 유추하거나, 우주배경복사나 은하거대구조 관측을 다양한 우주론 모델과 비교하는 식이다.

JWST의 관측대상은 멀리 있는 외부은하나 외계행성뿐만 아니라 태양계 천체도 포함된다. 토성의 가장 큰 위성인 타이탄이 JWST의 근적외선카메라(NIRCam)로 촬영되었는데, 가시광선으론 보이지 않았을 타이탄의 두꺼운 대기 내부를 볼 수 있었다. 그리하여 두 개의 큰 구름을 발견하였는데 이 구름이 움직이는지 모양이 변하는지 후속 관측이 필요했다. 그리하여 켁 천문대(Keck Observatory)의 협조를 얻어 30시간 뒤에 관측하였는데 구름이 회전하는 것처럼 보였다.

이처럼 천문학에서는 후속 관측이 매우 중요하다. 초신성이 폭발하는 것을 관측했다면, 이 초신성이 어떤 유형인지 알아내는 것이 중요한데 이를 위해서는 초신성 밝기가 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 알아야 한다. 따라서 단 한 번의 관측으로서는 밝기변화를 측정할 수 없으므로 후속관측이 필요한 것이다.

맺음말

JWST는 지금까지 우리가 알고 있었던 우주와 전혀 다른 모습을 보여주고 있다. 앞으로 JWST가 어떤 성과를 낼 것인지 기대가 크다. 하지만 HST도 아직 운용 중이므로 두 망원경을 동시에 사용하면 더 큰 시너지 효과가 날 것으로 기대한다. 실제 JWST의 운영을 담당하고 있는 우주망원경과학연구소(STScI)는 JWST와 HST의 조인트 관측제안서를 받고 있다. 두 망원경의 관측 파장대가 다르므로 새로운 과제를 충분히 발굴해 낼 것이다.

소위 말하는 천문학적인 예산(원화 20조 원 이상)이 투입된 두 우주망원경이 천문학적인 새로운 역사를 쓰길 기대한다.