우주 망원경은 지구 대기권 훨씬 위에 있는 거울로 빛을 모읍니다. 대기권은 이미지를 흐릿하게 만들고 자외선과 적외선 파장을 차단합니다. 다양한 관측소는 다양한 종류의 빛을 위해 설계되었습니다—Hubble은 가시광선/자외선, Webb은 적외선, Chandra는 엑스선—그리고 빛은 이동에 시간이 걸리기 때문에, 이 기기들은 천문학자들이 수십억 년 전의 은하의 모습을 볼 수 있게 해줍니다.
모든 우주 망원경은 동일한 기본 역할을 합니다: 희미하고 먼 빛의 근원에서 가능한 한 많은 빛을 모아 검출기에 초점을 맞추는 것입니다. 그 빛이 어떻게 모아지는지, 그리고 어느 파장이 포착되는지는 거울의 설계와 망원경이 우주의 어디에 위치하는지에 따라 다릅니다. 이는 NASA의 망원경 과학 개요에 따릅니다.
그런데 우주에 망원경을 두는 이유가 뭐죠?
지상 망원경은 지구의 대기권을 통해 관측합니다. 여기서 변동하는 공기의 흐름이 들어오는 빛을 왜곡합니다—이것은 별들이 반짝이는 것처럼 보이는 현상과 동일합니다. NASA의 Hubble 프로그램 페이지에 따르면, 이 움직임은 지상에서 촬영한 이미지를 흐릿하게 하며, 대기권은 또한 자외선과 적외선 복사의 대부분을 지표면에 도달하기 전에 흡수합니다.
Hubble은 지구로부터 약 300마일 위의 궤도를 도는 것으로, 이러한 대기로 인한 흐림을 피할 수 있으며, 동등한 지상 망원경보다 약 10배 더 희미한 물체를 탐지할 수 있습니다. NASA에 따르면, 우주 망원경은 또한 악천후, 햇빛, 또는 도시 불빛 오염에 방해받지 않고 계속 관측할 수 있습니다.
렌즈뿐만 아니라 거울 사용
초기 망원경은 빛을 구부리기 위해 유리 렌즈를 사용했습니다. 이를 굴절형이라고 하는 설계입니다. NASA의 "Telescopes 101" 설명에 따르면, 큰 렌즈는 무거워지고 발사가 어려워지기 때문에, 대부분의 현대 망원경은 곡면 거울을 사용하는 반사형 망원경입니다. 거울은 동일한 크기로 더 얇고 가볍게 만들 수 있기 때문입니다.
일반적인 반사형 설계에서, 빛은 포물면 같은 모양의 큰 주거울에 맞으며 작은 부거울로 튕겨집니다. James Webb Space Telescope의 경우, NASA의 Webb의 거울에 대한 설명에서는 2개의 단계가 추가됩니다. 부거울의 빛은 오목한 삼차 거울에 반사되고, 과학 기기에 도달하기 전에 평평한 미세 조종 스티어링 거울로 반사됩니다.
다양한 망원경, 다양한 빛
가시광선, 자외선, 적외선은 모두 유사한 모양의 거울로 초점을 맞출 수 있지만, 다양한 코팅이 있습니다. Webb의 18개의 육각형 주거울 세그먼트는 베릴륨 금속으로 만들어지고 금의 100나노미터 층으로 코팅됩니다. NASA의 Webb의 거울에 대한 설명에 따르면, 적외선 빛을 효율적으로 반사하도록 특별히 조정됩니다. 대조적으로, Hubble은 자외선, 가시광선, 근적외선 빛을 수집하도록 설계되었습니다.
엑스선은 다르게 작동합니다. 일반적인 거울을 단순히 관통하거나 흡수되며, 벽에 총알이 맞는 것과 같은 방식입니다. Harvard의 Chandra X-ray Center가 설명하는 것처럼. Chandra의 거울은 대신 이리듐으로 코팅된 중첩된 원통형 모양을 하고 있으며, 엑스선은 정면에서가 아닌 얕은 "선각도 입사"에서만 반사됩니다. Chandra는 4개의 중첩된 거울 쌍, 총 8개의 거울을 사용하며, 1.3마이크로미터 이내로 연마되고 정렬됩니다.
감마선은 더욱 에너지가 높으며, 기존의 광학을 직진합니다. NASA는 Fermi와 같은 감마선 망원경이 대신 감마선이 텅스텐 같은 고밀도 물질과 충돌할 때 생성되는 입자를 추적하는 검출기를 사용한다고 지적합니다. 거울로 광선에 초점을 맞추는 대신 그 입자 추적에서 광선의 원점을 재구성합니다.
주요 우주 망원경의 비교
망원경
감지되는 주 빛
거울 설계
위치
Hubble
자외선, 가시광선, 근적외선
단일 반사 거울
지구 저궤도, 약 300마일 상공
James Webb
적외선(0.6–28.8마이크로미터)
18개의 금으로 코팅된 베릴륨 육각형 세그먼트, 직경 6.5 m
태양-지구 L2 주변의 할로 궤도, 지구로부터 약 150만 km
Chandra
엑스선
4개의 중첩된 원통형 선각도 입사 거울 쌍, 이리듐 코팅
고타원 지구 궤도
Fermi
감마선
거울 없음; 텅스텐 판을 갖춘 입자 추적 검출기
지구 저궤도
위치가 중요한 이유: Webb의 먼 궤도
Webb은 Hubble처럼 지구 주위를 가깝게 궤도하지 않습니다. NASA의 미션 페이지에 따르면, Webb은 제2 태양-지구 라그랑주 포인트인 L2 주위를 도는 루프를 따릅니다. 지구로부터 약 150만 킬로미터 떨어져 있으며, 대략 6개월마다 1주기를 완성합니다. 그 위치에서 태양, 지구, 달은 우주선의 한쪽에 위치하며, Webb의 테니스 코트 크기의 선실드(햇빛 차단막)가 그들의 열과 빛을 지속적으로 차단할 수 있습니다.
그 차폐는 본질적으로 필요합니다. Webb은 적외선을 관측하기 때문에 이는 본질적으로 열입니다. NASA에 따르면, 망원경은 극단적으로 낮은 온도에서 작동합니다—Webb의 궤도 페이지에 따르면, 약 마이너스 370도 화씨—태양 또는 지구로부터의 어떤 방황하는 열도 검출기를 적외선 노이즈로 채우고 먼 은하로부터의 희미한 신호를 압도하지 않습니다.
단지 먼 것뿐만 아니라, 과거를 보기
빛은 고정되고 유한한 속도로 이동하기 때문에, 우주를 더 멀리 보는 것은 더 과거로 보는 것을 의미합니다. NASA의 Webb의 과학 개요에 따르면, 망원경은 130억 광년 이상 떨어진 은하로부터의 적외선 빛을 탐지할 수 있습니다—이는 오늘 포착되는 빛이 130억 년 이상 전에 그 은하를 떠났음을 의미합니다. 우주가 여전히 어렸을 때의 것입니다. 빛을 관측하는 것은 실질적으로 지금의 모습이 아닌 빛이 출발한 시점에서의 물체의 상태를 보여줍니다.
Webb은 그 오래된 빛을 분석하기 위해 4개의 과학 기기를 탑재하고 있습니다. 근적외선 이미징 및 분광 분석용 NIRCam 및 NIRSpec, 중적외선 관찰용 MIRI, 그리고 NASA의 망원경 개요에 따르면 NIRISSインストルメント와 쌍을 이루는 미세 유도 센서.
엑스선 광자는 총알이 벽에 맞는 것과 같은 방식으로 거울에 관통합니다.
— Chandra X-ray Center, Harvard
거울에서 지구 위의 이미지로
현대 우주 망원경은 사진 필름을 사용하지 않습니다. NASA의 망원경 작동 방식에 대한 설명에 따르면, 거울로 초점을 맞춘 빛은 전자 검출기로 떨어집니다. 이는 빛을 디지털 신호로 변환합니다. 이러한 신호는 탑재 컴퓨터에 저장되고 지구 위의 지상 스테이션에 전송됩니다. 거기서 과학자들은 공개된 이미지로 데이터를 재구성합니다.
자주 묻는 질문
지상 망원경이 우주 망원경이 할 수 있는 모든 것을 왜 할 수 없나요?
지구의 대기권은 들어오는 빛을 왜곡하여 지상 이미지를 흐리게 하는 반짝임을 일으키고, 또한 자외선과 적외선 빛의 대부분을 지표면에 도달하기 전에 흡수합니다. NASA에 따르면, 우주 망원경은 이 간섭 위에서 궤도를 도는 것으로 더 선명한 이미지와 지상 망원경이 볼 수 없는 파장에 대한 접근을 제공합니다.
Webb이 Hubble처럼 가시광선이 아닌 적외선을 사용하는 이유는 무엇인가요?
적외선은 가시광선을 차단하는 먼지 구름을 통과하고, 또한 가장 먼, 가장 오래된 은하로부터의 늘어난 "적색 편이" 빛을 운반합니다. NASA에 따르면 Webb은 130억 광년 이상 떨어진 물체로부터의 빛을 탐지할 수 있습니다. 대조적으로, Hubble은 주로 자외선, 가시광선, 근적외선 빛을 위해 설계되었습니다.
Webb의 거울이 베릴륨으로 만들어지고 금으로 코팅된 이유는 무엇인가요?
NASA에 따르면, 베릴륨은 무게 대비 강도가 높으며 Webb이 작동하는 극단적으로 낮은 온도에서 모양을 유지합니다. 한편, 얇은 100나노미터의 금 코팅은 특히 적외선 빛의 거울 반사를 개선합니다.
Webb이 Hubble처럼 근처가 아닌 지구로부터 매우 멀리 궤도하는 이유는 무엇인가요?
Webb은 태양-지구 L2 포인트 주위를 궤도하며, 약 150만 킬로미터 떨어져 있어서, 그 선실드가 한쪽에서 태양, 지구, 달의 열과 빛을 지속적으로 차단할 수 있으며, 적외선 기기를 극도로 차갑게 유지합니다. NASA의 미션 궤도 페이지에 따르면.
Chandra와 같은 엑스선 망원경이 거울이 정상적으로 그들을 반사할 수 없다면 어떻게 엑스선에 초점을 맞추나요?
Chandra의 거울은 이리듐으로 코팅된 중첩된 원통형 모양을 하고 있으며, 엑스선은 정면에서가 아닌 얕은 "선각도 입사"에서만 반사됩니다. Chandra X-ray Center at Harvard에 따르면.
우주비행사 훈련은 교육, 경험 및 신체적 체력에 대한 선발 심사로 시작되는 다년간의 프로세스이며, 비행 전에 수년간의 지상 훈련으로 진행됩니다. NASA와 유럽우주국(ESA)에 따르면, 지원자들은 우주선 시스템을 배우고 수중에서 선외활동을 연습하며, ESA 지원자들은 러시아어도 공부합니다. 한편, 국제우주정거장(ISS)에서의 생활은 업무, 운동 및 수면의 고정된 일일 일정에 따라 진행됩니다.
블랙홀은 중력이 매우 강한 우주 공간의 영역으로, 사건의 지평선을 넘으면 빛도 탈출할 수 없습니다. 대부분은 거대한 별이 핵연료를 다 쓰고 그 핵이 붕괴할 때 형성됩니다. 은하 중심의 초대질량 블랙홀은 수십억 년에 걸쳐 성장합니다. 직접 이미지와 중력파 감지로 그 존재가 확인되었고, 아인슈타인의 일반상대성이론이 검증되었습니다.
달의 위상은 지구의 그림자 때문이 아니라 지구 주위를 공전할 때 태양광이 달 표면의 여러 부분을 비추기 때문에 변합니다. 달의 위상의 완전한 사이클을 합삭월이라고 하며, 평균 29.5일입니다. 같은 달은 또한 불균일한 중력으로 지구의 해양을 당기며, 약 24시간 50분마다 두 개의 만조와 두 개의 간조를 만들고, 태양은 달에 월 2회 그 당김을 강화하거나 약화시킵니다.
고속 전파 폭발(FRB)은 먼 은하에서 나온 밀리초 길이의 전파 섬광으로, 2007년에 처음 확인되었지만 여전히 완전히 설명되지 않고 있다. 천문학자들이 MeerKAT 망원경과 제임스 웹 우주망원경을 사용하여 지금까지 가장 먼 FRB를 추적한 후 관심이 높아졌다. 이 신호는 지구에 도달하기까지 100억 년 이상을 여행했다.
