우주 망원경이 지상 천문대에는 보이지 않는 빛을 포착하는 방식

별과 은하에서 나오는 빛은 우주를 통해 인간의 눈으로 볼 수 있는 가시광선뿐 아니라 많은 형태로 전파됩니다. 자외선, 적외선, X선, 감마선은 뜨거운 젊은 별, 차가운 먼지 구름, 폭발한 별, 블랙홀에 대한 정보를 전달합니다. 하지만 지구의 대기는 NASA Science와 유럽우주국(ESA)에 따르면, 이 빛의 대부분을 지표면에 도달하기 전에 흡수하거나 왜곡시킵니다.

지구의 대기가 장벽이 되는 이유

ESA의 설명에 따르면, 대기는 적외선 천문학에 두 가지 별개의 문제를 야기합니다. 첫째, 대부분의 적외선 파장을 직접 흡수하며, 지상 망원경에 도달할 수 있는 것은 좁은 대역뿐입니다. 둘째, 대기 자체가 적외선으로 발광하며, 천문학자들이 연구하려는 희미한 우주 천체보다 많은 방사선을 방출하는 경우가 많아 신호가 잡음에 묻혀버립니다.

ESA는 또한 대기가 X선, 감마선, 대부분의 자외선을 포함한 대부분의 고에너지 및 자외선 방사를 차단한다고 지적합니다. NASA에 따르면, X선 관측소인 Chandra는 X선이 지표면에 도달하지 않기 때문에 지구로부터 약 139,000킬로미터(86,500마일) 높이의 궤도를 공전하고 있으며, 이는 Hubble보다 약 200배 높습니다.

망원경을 대기 위로 또는 지구에서 훨씬 멀리 배치하면 두 문제를 동시에 해결할 수 있습니다. 빛을 흡수하는 공기가 남아있지 않으며, 신호를 방해하는 대기의 빛도 없습니다.

다양한 망원경, 다양한 빛

각 주요 우주 관측소는 스펙트럼의 특정 부분에 조정되어 있습니다. 1990년에 발사된 Hubble은 주로 자외선과 가시광선(0.1~2.5마이크론)을 관측하며 NASA Science에 따르면 지구 위 약 300마일(483km) 높이를 공전하고 있어 간헐적인 서비스 임무가 가능합니다. 2021년 12월에 발사된 James Webb Space Telescope는 적외선 빛을 위해 설계되었으며, 지구로부터 약 100만 마일 떨어진 제2 라그랑주점(L2) 근처에 위치하고 있어 자체 열과 지구의 열이 감지하려는 미약한 적외선 신호를 방해하지 않습니다.

Webb의 주 거울은 6.5미터(21.3피트)에 걸쳐 있으며, Hubble의 2.4미터(7.9피트)와 비교하면 집광 면적이 6배 이상입니다. NASA Science에 따르면 Webb은 Hubble이 볼 수 있는 것보다 최대 100배 더 희미한 천체를 감지할 수 있습니다. 우주의 팽창으로 인해 가장 먼 초기 은하로부터의 빛이 적외선 파장으로 적색편이되기 때문에, Webb의 적외선 감도는 Hubble의 자외선 및 가시광 기기로는 달성할 수 없는 더 먼 우주의 과거를 관측할 수 있게 합니다.

Webb은 다양한 적외선 범위를 위한 전용 기기를 탑재하고 있습니다. 근적외선 카메라(NIRCam)는 0.6~5마이크론을 커버하며 NASA Science의 기기 페이지에 따르면 Webb의 주요 근적외선 영상 기기로 기능합니다. 중적외선 기기(MIRI)는 5~28마이크론을 커버하며 카메라, 빛을 스펙트럼으로 분할하여 각 파장에서의 밝기를 측정하는 분광계, 그리고 별의 눈부심을 차단하여 근처의 희미한 행성을 볼 수 있게 해주는 코로나그래프를 결합합니다. MIRI는 자신의 검출기가 Webb의 잔류 열에 의해 손상되지 않도록 관측소의 나머지 부분보다 더 차갑게 유지되어야 하므로 추가 극저온 냉각기가 필요합니다.

모든 우주 관측소가 영상을 생성하는 것은 아닙니다. ESA의 Gaia 우주선은 2013년 12월 19일에 발사되었고 L2 근처에 배치되어 있으며, 은하계 전체의 20억 개 이상의 별에 대한 극도로 정확한 3차원 지도를 구축하고 있으며, ESA의 Gaia 임무 페이지에 따르면 이들의 운동, 광도, 온도, 조성을 추적하고 있습니다. ESA에 따르면 Gaia는 전신인 Hipparcos 위성과 비교하여 위치 정확도를 100배 향상시켰습니다. 이 임무는 2024년의 센서 및 우주 먼지 문제에 직면한 후 사후 운영 단계에 진입했습니다.

스펙트럼의 고에너지 끝에서 1999년 7월 23일에 발사된 NASA의 Chandra X선 천문대는 폭발한 별, 은하단, 블랙홀 주변의 물질 등 극도로 뜨거운 현상으로부터의 X선을 감지합니다. 이는 NASA의 천체생물학 임무 페이지에 따른 것입니다.

조각을 맞추다

ESA의 Herschel 프로젝트 과학자 Göran Pilbratt은 특히 별과 행성이 어떻게 형성되는지 연구하기 위한 적외선 관측의 가치를 설명했습니다: ESA에 따르면 그는 "적외선으로 관측함으로써 우리는 형성 과정이 종종 차갑고 먼지가 많은 장소에서 일어나기 때문에 물질이 어떻게 형성되는지, 그 초기 단계를 연구할 수 있습니다"라고 말했습니다. 적외선은 가시광선을 차단하는 먼지 구름을 통과할 수 있으며, Webb의 NIRCam 및 MIRI와 같은 기기들이 성운 내부에 숨겨진 새로 태어난 별과 행성을 볼 수 있게 합니다.

단일 망원경이 전체 스펙트럼을 커버할 수 없기 때문에 천문학자들은 일상적으로 여러 관측소의 데이터를 결합합니다. NASA Science는 Hubble과 Webb을 경쟁 상대가 아닌 보완적 파트너로 설명합니다. Webb의 더 깊은 적외선 관측은 먼지와 가스를 뚫고 나가고, Hubble의 가시광선과 자외선 관측이 Webb의 적외선 관측을 보완하여, 함께 동일한 천체에 대한 더 광범위한 시각을 생성합니다.