참세상

현재 칠레 아타카마 사막에 건설 중인 초대형 망원경의 일러스트레이션. 출처 : ESO

최근 수십 년 동안 우리는 우주와 그 역사에 대해 엄청난 양의 지식을 쌓아 왔다. 이 과정에서 지구와 우주에 있는 망원경 기술의 급속한 발전이 핵심 역할을 해왔고, 앞으로 20년 내에 가동될 예정인 새로운 망원경들은 우주론 이해의 한계를 더욱 넓혀줄 것으로 기대된다.

모든 천문대는 가동 전 연구 목표 목록을 세우지만, 가장 큰 영향을 미치는 것은 예상치 못한 발견들이다. 특히, 우주론의 많은 혁신적인 발전이 새로운 기술에서 비롯되었으며, 차세대 망원경들은 강력한 성능을 갖추고 있다.

그럼에도 자외선 및 가시광선 천문학을 위한 우주 망원경 부족 등 여전히 빈틈이 존재한다. 정치적 요인과 국가적 이익이 과학의 진전을 지연시키고 있으며, 유명한 천문대조차 재정적 어려움을 겪고 있다.

칠레의 산악 지대에 가장 큰 신형 망원경들이 건설되고 있다. 아타카마 사막의 거대한 돔 아래 들어설 초대형 망원경(ELT)은 네 개의 테니스 코트 크기와 맞먹는 거대한 거울을 탑재할 예정이다.

ELT와 같은 반사 망원경은 주경(主鏡)으로 밤하늘에서 들어오는 빛을 모아 다른 거울에 반사시키고, 이 빛을 카메라로 전달하는 방식으로 작동한다. 거울이 클수록 더 많은 빛을 모아 희미한 천체를 관측할 수 있다.

칠레 북부의 세로 아마조네스 산 정상에 건설 중인 초대형 망원경.

칠레에서 건설 중인 또 다른 지상 망원경인 베라 C. 루빈 망원경은 역사상 가장 큰 카메라를 탑재할 예정이다. 이 카메라는 소형 자동차 크기와 약 3톤 무게로, 3,200메가픽셀의 해상도로 하늘 전체를 사흘마다 촬영하여 움직이는 천체를 포착한다. 10년에 걸친 사진들은 우주의 거대한 타임랩스 영상으로 결합될 것이다.

과거 천문학은 외딴 천문대소로 직접 이동해 어두운 곳에서 작업하는 육체적으로 힘든 일이었지만, 코로나 이전부터 많은 천문학자들이 원격으로 작업하기 시작했다. 20세기 후반, 주요 지상 천문대들은 천문학자들이 직접 가지 않아도 밤에 망원경을 조작할 수 있는 기술을 도입하기 시작했다. 지금은 인터넷을 통한 원격 관측이 보편화되었다.

베라 C. 루빈 관측소에는 세계에서 가장 큰 디지털 카메라가 설치될 예정이다. 출처 이 카메라는 슬랙(SLAC) 국립 가속기 연구소의 재클린 램세이어 오렐(Jacqueline Ramseyer Orrell), 저자 제공(재사용 금지)

예상치 못한 것을 기대하라

지상 망원경은 산 정상에 있어도 시야에 제한이 있다. 이를 해결하기 위해 우주망원경을 발사하는 것이 가능하다.

허블 우주망원경은 1990년 4월 25일, 우주왕복선에 실려 대기권 너머로 올라가면서 작동을 시작했다. 허블은 1960년대 SF영화 같은 구성을 갖췄다. 발사용 로켓, 방향을 맞추기 위한 자이로스코프, 필름 대신 전자 카메라를 장착했지만, 한 가지 계획은 실패했다. 허블에서 상주하는 우주 비행사 천문학자가 일하는 구상은 실현되지 않았다.

허블은 우리 은하와 이웃 은하의 조사를 목표로 설계되었다. 후속 망원경인 제임스 웹 우주망원경은 더 먼 은하를 연구하는 임무를 수행할 것이다.

두 망원경 모두 우리의 우주 이해에 혁신을 일으켰지만, 그 방식은 아무도 예측하지 못한 것이었다. 허블의 원래 계획에는 지금 최고의 발견으로 꼽히는 것들이 포함되지 않았다. 예를 들어, 목성의 위성 유로파에서 분출되는 물기둥, 블랙홀 주변의 소용돌이, 우주를 유지하는 보이지 않는 암흑물질, 우주를 팽창시키는 암흑에너지가 있다.

1990년 4월 우주왕복선에서 전개되는 허블 우주망원경. Nasa/Smithsonian Institution/Lockheed Corporation

웹 망원경은 2021년 12월 25일 발사된 이후, 설계 당시 알려지지 않았던 외계 행성을 관측하는 데 시간을 할애하고 있다.

비싼 망원경의 명시된 목표는 주로 우주 기관과 정부, 그리고 (쉿…) 납세자를 위한 설득 수단이다. 웹 망원경은 본래의 과학 목표를 달성할 것이지만, 천문학자들은 더 멀리, 더 정밀하게 또는 더 다양한 색상으로 관측하는 것이 훨씬 더 큰 발견을 이끌 수 있다는 점을 알고 있다. 망원경의 예상 밖 발견이 종종 처음의 연구 목표보다 더 중요한 의미를 갖는다.

긴 안목으로 바라보기

망원경이 초기 계획을 넘어서는 발견을 한다는 것은 과학자들에게 안도감을 준다. 허블과 웹 망원경 모두 설계부터 발사까지 25년이 넘게 걸렸기 때문에 그 사이에 새로운 과학적 질문이 등장하게 된다.

자외선 천문학은 별이 어디에서 태어나는지 보여주는 데 필수적이다. Nasa, Esa, Elena Sabbi (Esa, STScI), 저자 제공(재사용 금지)

대형 우주 망원경 건설에는 일반적으로 약 20년이 걸린다. 찬드라와 XMM-뉴턴 우주 망원경은 각각 23년과 15년에 걸쳐 제작되었으며, 1999년에 거의 동시에 발사되어 블랙홀과 은하단 주변의 뜨거운 가스로부터 오는 X선을 관측하기 위해 설계되었다.

이후 일본의 히토미 X선 위성은 18년, 러시아 스펙트르-RG관측소의 독일 eRosita장비는 20년에 걸쳐 제작되었다.

비슷한 시간표가 유럽우주국의 히파르코스와 가이아 우주망원경에도 적용되었으며, 이는 우리 은하의 모든 별을 지도화하는 데 사용되었다. 빅뱅의 마이크로파 잔광을 연구한 코비(COBE)와 플랑크(Planck)임무 역시 20년이 걸렸다. 정확한 제작 소요 시간은 집계 방식에 따라 다르지만, 몇몇 예외를 제외하고는 “더 빠르고, 더 나은, 더 저렴한” 접근이 가능했다. 그러나 국가 우주 기관들은 일반적으로 이러한 프로젝트 개발에 있어 위험을 피하려 하고, 느리게 진행되는 경향이 있다.

블랙홀 주변의 뜨거운 가스에서 나오는 X-선을 연구하기 위해 찬드라 및 XMM-Newton이 발사되었다. ESO, Esa/Hubble, M. Kornmesser, CC BY

따라서 최신 우주 망원경들은 밀레니얼 세대다. 이들은 빅뱅 이후 우주의 초기 팽창과 노년기의 가속 팽창이 측정된 시대에 설계되었으며, 현재 주요 목표는 이들 사이의 간극을 메우는 것이다. 놀랍게도, 초기와 후기 시기의 팽창 데이터를 연결해 보면 중간이 일치하지 않는다.

우주의 팽창 속도와 물질의 밀도에 대한 측정값들이 일관되지 않아, 우주 진화 이론에 도전 과제가 되고 있다.

멀리 있는 은하에서 오는 빛은 파장이 늘어나기 때문에 우주의 중년을 관측하려면 장파장 망원경이 필요하다. 웹 망원경은 적외선 줌 카메라를 장착했으며, 2023년에 발사된 유럽우주국의 유클리드 망원경과 2026년에 발사될 예정인 NASA의 낸시 그레이스 로먼 망원경은 적외선 광각 렌즈를 사용한다.

세 대의 버스가 동시에 도착하다

대부분의 별은 지구 대기에 의해 차단되는 자외선과 적외선 영역에서 빛나며, 우리 눈에 보이는 색 외에도 다른 파장이 있다.

다양한 파장은 유용하다. 예를 들어, 우리 은하 반대편의 별의 질량을 적외선에서 밝은 별은 큰 별, 어두운 별은 작은 별로 추정할 수 있다. 또한, 자외선을 방출하는 어린 별들을 통해 별이 탄생하는 위치도 파악할 수 있다.

여러 독립적인 관측은 과학적 엄밀성을 높이는 데 필수적이다. 적외선 망원경은 협력하여 이미 놀라운 발견들을 해왔지만, 웹, 유클리드, 로먼 망원경이 모두 적외선에 집중하는 것은 다양성 면에서 아쉬움이 있다.

허블의 가시광선 카메라는 예산 삭감으로 인해 최근 중단되었다. 나사는 2030년까지 자외선 파장으로 다시 전화하지 않을 예정이며, 자외선 탐사선(Ultraviolet Explorer)과 거주 가능 세계 천문대(Habitable Worlds Observatory)가 그 역할을 대신할 것이다.

2023년에 발사되어 현재 지구에서 100만 마일 떨어진 곳에 있는 Esa의 유클리드 망원경 렌더링 Esa, CC BY-SA 3.0.

지구의 정치적 문제도 장애가 된다. 중국의 허블급 우주망원경 쉰톈(Xuntian)에서 나온 데이터는 국제적으로 공유되지 않을 가능성이 크다. 독일은 2022년 2월 러시아의 우크라이나 침공에 항의해, 러시아와 협력하여 완벽하게 작동하던 eRosita X선 장비의 작동을 지구에서 백만 마일 떨어진 위치에서 중단시켰다.

저렴한 상업 발사가 해결책이 될 수 있다. 유럽우주국의 유클리드 망원경은 원래 러시아 소유즈 로켓으로 발사될 예정이었으나, 러시아의 보복 조치로 인해 스페이스X의 팔콘 9로 성공적으로 전환되었다.

대형 망원경도 신발 상자 크기의 큐브샛(cubesat)위성 안에 접을 수 있다면 비용이 낮아져 실패할 가능성도 낮아질 것이다. 위험을 감수하면 임무 비용이 더 저렴해지는 선순환이 생긴다.

또한, 망원경은 거대 헬륨 기구나 비행기와 같은 혁신적인 장소에서도 시도되고 있다. 언젠가 특정 천문학 연구에 유리한 환경을 가진 달에 배치될 가능성도 있다.

루빈 천문대는 칠레 북부의 세로 파촌 산에 위치한다. 루빈 천문대/NSF/AURA/A. 피사로 D

하지만 가장 독특한 망원경 기술로, 가장 예상치 못한 발견을 가져올 수 있는 것은 중력파 탐지기일지도 모른다. 중력파는 전자기 스펙트럼의 일부가 아니어서 눈에 보이지 않으며, 시공간의 왜곡, 즉 우주의 격렬하고 강력한 사건에서 발생하는 "파동"이다. 이에는 두 중성자별(거대한 별이 연료가 부족할 때 형성되는 밀도 높은 천체)의 충돌 또는 중성자별과 블랙홀의 합체하는 것 등을 포착할 수 있다.

망원경이 우리의 눈이라면, 중력파 탐지기는 우리의 귀와 같다. 하지만 현재 지구에 있는, 즉 지상 중력파 탐지기는 미래에 우주에서 사용될 궁극적인 탐지기를 위한 예비 단계에 불과하다.

차세대 관측소가 무엇을 발견할지 묻는다면, 답할 수 없다. 하지만 그것이야말로 좋은 일이다. 최고의 과학 실험은 우리가 예상하는 것뿐 아니라, 알지 못했던 미지의 것들도 밝혀야 한다.

[출처] A new generation of telescopes will probe the ‘unknown unknowns’ that could transform our knowledge of the universe

[번역] 하주영