제임스웹 망원경
130억 광년 태초의 빛…제임스웹 망원경 첫 풀컬러 사진 공개
미항공우주국이 첫 공개한 제임스웹 우주망원경으로 찍은 SMACS 0723 은하단 이미지. [AP=연합뉴스]
“팔을 뻗으면 닿을 수 있는 거리에 있는 모래 한 알. 그 크기 만한 밤하늘 한 조각 속에 빛나고 있는 수천 개의 은하들. 이들은 지금까지 관측할 수 있었던 그 어느 천체보다 가장 멀리 있으면서도 가장 선명하고 모습을 드러냈다.” 138억 년 우주 역사 속 첫 별의 비밀을 밝힌다는 제임스웹우주망원경(JWST)의 첫 번째 관측 이미지를 빌 넬슨 미국 항공우주국(NASA) 국장은 이렇게 표현했다.
미국 항공우주국(NASA)이 JWST가 관측한 첫 번째 총 천연색 이미지들을 정식으로 공개했다. 11일 오후(현지시간) 조 바이든 미국 대통령이 백악관에서 주최한 공개행사에서 JWST의 첫 관측 사진 한 장을 맛보기 삼아 공개한 데 이어, 다음날 오전 NASA가 첫 이미지를 포함, 총 5장의 이미지를 정식으로 발표했다.
조 바이든 미국 대통령은 “오늘은 역사적인 날”이라면서“천문학에 대한 과학기술과 인류 전체를 위한 우주탐사에 있어 역사적인 순간”이라고 말했다.
그래픽=김경진 기자 capkim@joongang.co.kr
11일 백악관에서 공개한 첫 사진 속에는 지구에서 46억 광년 떨어진 은하단 ‘SMACS 0723’의 이미지를 중심으로 130억 광년 떨어진 초기 우주 은하들이 함께 나타났다. ‘SMACS 0723’은하단이 중력렌즈 역할을 하면서, 그 뒤로 가려져 있던 130억 광년 너머 초기 은하의 모습이 붉고 길죽하게 휘어진 모습을 하고 있다. 양성철 한국천문연구원 책임연구원은 “사진 전체에 걸쳐서 보이는 희미하고 작은 점들은 중력렌즈 효과와 관계없이 관측된 초창기 은하일 가능성이 높다”고 말했다.
제임스웹우주망원경이 찍은 남쪽고리성운 [사진 NASA]
사진은 JWST의 근적외선 카메라(NIRCAM)로 촬영한 것으로, 서로 다른 파장의 이미지들을 총 12시간 반의 노출을 통해 만들었다. 이번 사진과 유사해 보이는 허블우주망원경의 울트라딥필드 사진은 JWST보다 해상도가 낮을 뿐 아니라, 촬영하는데만 수주 이상의 시간이 걸렸다. 중력렌즈 효과로 드러난 은하단 뒤의 초기 우주천체 또한 잡히지 않았다.
NASA는 이날 ‘SMACS 0723 은하단’ 외에도 지구에서 7600광년 떨어져 있는 용골자리 대성운(Carina Nebula)과 남쪽고리성운, 스테판 5중주 은하군의 이미지와 1150광년 떨어진 외계 거대행성 WASP-96b의 대기 성분 분석 자료를 추가로 공개했다.
제임스웹우주망원경이 찍은 스테판 5중주 은하군. [사진 NASA]
JWST은 빅뱅 직후인 우주 최초의 별을 관측하는 것 외에도, 태양계 밖 외계행성 속 생명의 존재 가능성을 찾는 임무도 가지고 있다. 12일 공개한 외계 거대행성 WASP-96b의 대기 분석 자료가 이에 해당한다. 외계 행성의 대기에서 나오는 적외선을 JWST에 실린 분광기를 이용해 분석하는 방법이다. 외계행성 대기 구성 성분에서 대기 구성 성분에서 메탄과 산소 같이 공존이 불가능한 대기 성분이 대량으로 발견되면 생명체가 존재한다고 판단할 수 있다. 이번 외계행성 WASP-96b의 대기분석에서는 생명의 흔적을 찾을 수는 없었지만, 과거 관측에선 알 수 없었던 구름ㆍ연무에 대한 증거와 함께 물을 의미하는 뚜렷한 특징 또한 포착됐다. WASP-96b는 봉황자리에 위치한 거대 가스 행성으로, 질량은 목성의 절반 정도다. 2014년 발견된 이 행성은 3∼4일의 공전 주기로 항성을 돈다.
임명신 서울대 교수는 “케플러우주망원경이 그간 수많은 외계행성의 존재를 발견해왔다면 이제는 머잖아 생명이 실제 살아있는 외계행성 발견을 통해 지구가 거대 우주 속에 유일하게 생명체가 살고 있는 곳이 아님을 밝혀줄 것”이라고 말했다. 그는 또 “우주 탄생 2억~3억 년 뒤 만들어진 첫 별은 수소와 헬륨으로만 구성돼 있다고 예측되는데 JWST은 그 우주 탄생의 비밀을 풀어줄 것”이라고 덧붙였다.
제임스웹우주망원경이 찍은 용골자리 대성운. [사진 NASA]
JWST은 허블우주망원경의 대를 이을 차세대 적외선 우주망원경으로, 지난해 12월25일 크리스마스에 남미 프랑스령 기아나의 쿠루 우주기지에서 아리안-5 로켓에 실려 발사됐다. 최종 목적지는 지구에서 150만㎞ 떨어진 라그랑주 포인트 L2 지점이다. 태양과 지구의 중력이 균형을 이루는 곳이기 때문에 천체망원경이 태양을 중심으로 지구와 나란히 공전할 수 있다. 이 덕분에 관측하려는 천체를 지속적으로 들여다 볼 수 있다. 지구궤도를 90분에 한 번씩 돌면서 같은 사진을 여러 번 찍어 빛을 모으는 방식으로 특정 우주 지점을 관찰하는 허블우주망원경과는 차원이 다른 방식이다. 지난 2월 라그랑주 포인트 L2 지점에 안착한 JWST는 그동안 자세 제어와 온도조절 등 기능 안정화 작업을 해왔다.
외계 거대행성 WASP-96b의 대기성분 분석. 자료:NASA
제임스 웹 관측 ‘휘어진 빛’, 135억년 前 은하 생성 비밀 푼다
우주 태초의 빛과 만나다
NASA, 제임스 웹 망원경으로 관측한 영상 공개
허블 우주망원경을 뛰어넘는 성능을 갖추고 지난해 12월 25일 발사된 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 관측한 영상이 11일(현지 시간) 처음 공개됐다. 현재까지 인류가 촬영한 우주 천체 사진 중 가장 해상도가 높은 사진이다. 미국 항공우주국(NASA)이 JWST로 본 이 총천연색 영상은 지구로부터 46억 광년(1광년은 9조4607억 km) 떨어져 있는 ‘SMACS 0723’ 은하단의 모습이다. 가운데 강한 빛의 가장자리에 보이는 휘어진 빛은 ‘SMACS 0723’ 은하단보다 훨씬 더 멀리 떨어진 초기 우주에서 온 빛으로 추정된다. 약 135억 년 전의 빛일 가능성이 있다. 은하단의 강한 중력으로 빛이 증폭되고 휘어져 보이는 ‘중력 렌즈’ 현상이 나타났다.
138억 년 전 빅뱅으로 태어난 우주에선 그로부터 약 3억 년 후 은하들이 생겨났다고 한다. 하지만 인류는 135억 년 전으로 추정되는 ‘태초의 빛’ 생성 과정을 아직 밝혀내지 못했다. 사진에 담긴 휘어지고 희미한 빛들에는 우리가 간절히 알고 싶어 하던 우주 탄생의 비밀이 있다.
13조원 들여 제작… 작년 12월 발사, 지구서 150만km 떨어진 곳서 관측
46억 광년 거리 은하 고해상도 포착
중력-원심력 상쇄 ‘빛의 왜곡’ 없고 중력 렌즈 현상, 멀리서 온 빛 보여
바이든 “인류에게 역사적인 순간”
JWST가 등장하기 전 우주망원경의 강자는 허블 우주망원경이었다. NASA가 1990년 4월 고도 547km의 지구 저궤도에 쏘아 올려 30년 이상 관측해 왔다. JWST는 가시광선과 근적외선만 관측할 수 있었던 허블과 달리 중적외선 영역의 빛 파장까지 관측할 수 있다. 해상도도 100배 이상 높다.
양성철 한국천문연구원 책임연구원은 “135억 년 전 우주에서 처음으로 은하들이 생성되기 시작한 초창기 천체들의 구조를 자세히 들여다볼 수 있게 돼 우주 탐색의 가능성을 넓힌 게 이번 관측의 가장 중요한 의미”라고 설명했다.
마샤 리케 美애리조나대 교수“사람은 자신이 사랑하는 일을 해야 한다. 그 열정을 찾아내 끝까지 도전하라.”
1951년 미 미시간주에서 태어난 그는 어릴 적부터 우주에 관심을 품었다. 올 3월 애리조나대 교지 ‘데일리 와일드캣’ 인터뷰에서 리케 교수는 “어렸을 때부터 과학소설(SF)을 워낙 많이 읽다 보니 다른 행성에도 가고 싶어졌다”고 말했다.
그는 1998년 제임스 웹 연구팀에 들어간 뒤 2001년 본격적으로 NIRCam 개발을 이끌었다. NIRCam은 빅뱅 이후 몇억 년이 지난 초기 우주 상태인 135억 년 전에 나온 빛을 포착해야 하는 만큼 제임스 웹 프로젝트 성공에 결정적인 요소였다. 리케 교수가 개발을 주도한 NIRCam은 가시광선 대신 파장이 더 긴 적외선을 이용해 허블 우주망원경보다 성능을 약 100배 높였다. 그는 11일 미 항공우주국(NASA) 공식 블로그에 “우리 팀의 20년 노력이 놀라운 성과로 실현돼 매우 행복하다”고 소감을 밝혔다.
제임스 웹 프로젝트에는 리케 교수 외에도 많은 과학자가 전력을 다했다. 1996년부터 프로젝트에 참여한 과학자 에릭 스미스는 NASA 인터뷰에서 최근 첫 손녀를 봤다며 “아기들은 눈을 깜박이며 고개를 돌릴 때마다 자기가 살고 있는 곳을 배운다. 제임스 웹 우주망원경 역시 우주를 관찰할 수 있는 신선하고 강력한 눈을 제공할 것”이라고 기대했다.
“131억년 전 초기 우주의 빛” … 제임스 웹 관측 영상 대공개 [사이언스샷]
나사 웹 우주망원경의 6개월 관측 결과 발표, 성운·은하·외계행성 포함
우주를 향한 인류의 새로운 눈인 ‘제임스 웹 우주망원경’이 지난 6개월 동안 포착한 우주의 모습을 세상에 공개했다. 제임스 웹은 미국과 유럽, 캐나다가 25년간 13조원을 들여 개발한 사상 최대 크기의 우주망원경이다. 올 1월 지구에서 150만㎞ 떨어진 관측 지점에 도착했다.
미 항공우주국(NASA·나사)은 12일 오전 10시30분(미 동부시간 기준, 한국 시각 12일 23시30분)부터 나사 TV를 통해 제임스 웹 우주망원경이 처음 관측한 5가지 천체의 컬러 영상들을 발표했다.
◇은하부터 외계행성까지 5가지 천체 공개
제임스 웹 우주망원경은 사상 최대의 우주망원경으로 지름 6.5m의 반사거울과 아래쪽에 태양광을 차단하는 테니스장 크기의 차양막을 갖고 있다. 지난해 크리스마스에 유럽의 아리안 로켓에 실려 프랑스령 기아나에서 발사됐다.
웹은 지난 31년 동안 가동된 허블 우주망원경보다 더 먼 우주를 관측할 수 있다. 허블 망원경은 가시광선을 주로 감지하지만 웹은 빛의 영역 중 적외선을 포착해 보다 넓은 영역을 볼 수 있기 때문이다. 가시광선은 별이 탄생되는 우주 먼지와 구름 지역을 통과하기 어렵지만, 파장이 긴 적외선은 이를 통과할 수 있다.
나사는 제임스 웹 우주망원경을 공동 개발한 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA), 미국 우주망원경과학연구소와 함께 제임스 웹의 공식 과학 임무 목록인 첫 관측 천체 5가지를 선정했다. 그 결과가 이날 공개됐다.
제임스 웹 망원경은 먼저 남반구 별자리인 용골자리에 있는 대성운을 촬영했다. 이 성운은 지구에서 7600광년 떨어져 있다. 성운은 별이 탄생하는 곳이다. 용골자리 성운에서는 태양보다 몇 배나 큰 거대한 별들이 탄생하고 있다.
WASP-96 b는 지구에서 1150광년 떨어진 외계 행성이다. 빛을 내는 항성을 3.4일마다 한 번씩 공전한다. 질량이 목성의 절반 정도로 2014년 처음 발견됐다.
지구에서 2000광년 떨어진 남쪽고리성운(팔렬성운) 사진도 공개됐다. 이 성운은 지름이 0.5광년에 이른다. 슈테팡 5중 은하는 페가수스 별자리에 있으며, 2억9000만광년 거리에 있다. 1877년 처음 발견됐다.
◇중력렌즈로 빅뱅 직후 우주의 빛 포착
마지막으로 SMACS 0723은 뒤에서 오는 빛을 확대하고 휘게 하는 은하단이다. 조 바이든 미 대통령이 12일 오전(한국 시각) 백악관 브리핑에서 먼저 공개했다. 이 은하단은 지구에서 46억광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어져 있다.
아인슈타인은 상대성이론에서 블랙홀이나 은하단처럼 중력이 강한 천체는 뒤에서 오는 빛을 확대하고 휘게 하는 이른바 ‘중력 렌즈’ 현상을 일으킨다고 예측했다. 실제로 나사는 “사진 가장 자리에 보이는 붉은색 빛이 바로 중력렌즈에 의해 증폭되고 휜 것”이라며 “은하보다 훨씬 먼 131억년 전 초기 우주에서 온 빛”이라고 밝혔다.
우주는 138억 년 전 빅뱅으로 시작됐다. 나사는 제임스 웹이 이런 중력 렌즈를 이용하면 빅뱅에서 얼마 지나지 않은 135억년 전 초기 우주에서 나온 빛도 관측할 수 있을 것다고 기대한다.
◇햇빛 방해 없고 중력 균형 이룬 곳서 임무
나사는 제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과를 발표하기에 지난 8일 테스트 이미지도 공개했다. 별과 은하를 담은 이 이미지는 제임스 웹 우주망원경의 ‘정밀유도센서(FGS)’가 포착한 것으로 전혀 기대하지 않았던 결과물이라고 나사는 밝혔다.
나사는 해당 이미지가 아직 품질이 좋지 않다고 하면서도 지금까지 촬영한 우주 이미지 중 가장 먼 곳을 찍은 이미지라고 밝혔다.
FGS를 개발한 허니웰 에어로스페이스의 닐 로우랜드 박사는 “이 이미지가 찍혔을 때 흐릿한 은하 속의 모든 구조를 볼 수 있어 감격했다”고 밝혔다. 나사 고다드 우주비행센터의 제인 릭비 박사는 “사진에서 흐릿한 점은 제임스 웹 우주망원경이 과학 임무 첫해에 연구할 은하 형태와 일치한다”고 밝혔다.
제임스 웹 우주망원경은 허블 우주망원경보다 먼 곳에 배치됐다. 허블은 지구 상공 약 600㎞ 궤도를 돌며 우주를 관측하고 있지만 제임스 웹은 지구에서 150만㎞ 떨어진 라그랑주 L2 지점까지 이동했다. 지구와 달 사이(38만5000㎞)보다 약 4배 먼 거리다.
라그랑주 L2는 우주 관측에 최적인 지점이다. 이곳은 태양·지구가 물체를 끌어당기는 힘(중력)과 물체가 태양 주위를 돌면서 밖으로 벗어나려는 힘(원심력)이 서로 상쇄돼 중력이 미치지 않는다. 힘이 균형을 이뤄 빛의 왜곡이 없다. 특히 태양이 항상 지구 뒤에 가려져 햇빛의 방해도 받지 않는다. 제임스 웹 우주망원경은 이곳에서 135억 년 전 초기 우주의 빛을 찾고 생명체가 있을 것으로 추정되는 외계 행성도 탐색할 예정이다.
이젠 생명체도 찾을까? ‘외계행성 사냥꾼’ 또 일냈다
제임스웹 우주 망원경(JWST)이 태양계 밖의 행성(외계 행성)을 직접 촬영한 첫 사진이 공개되면서 외계 행성(外界行星) 탐사의 새로운 장이 열린다는 기대가 커지고 있다. 외계 행성을 더 자세히 관측할 수 있게 돼 생명체를 찾는 발걸음도 빨라질 것이라는 전망이다.
미 항공우주국(NASA)의 제임스웹 우주 망원경으로 촬영한 ‘HIP65426b’라는 이름의 외계 행성 사진이 지난 1일 공개됐다. 지구에서 385광년(1광년은 빛이 1년 동안 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 거리에 있는 거대 가스 행성이다. 외계 행성은 워낙 멀리 있는 데다 스스로 빛을 내지 않아 관측되지 않다 1995년에야 처음으로 발견됐다. 외계 행성을 처음 발견한 미셸 마요르 제네바대 교수는 2019년 노벨 물리학상을 받았다.
◇‘외계행성 사냥꾼’ 제임스웹 망원경, 385광년 떨어진 거리의 행성 직접 촬영한 첫 사진 공개
적외선 포착이 가능한 JWST가 이번에 촬영한 외계 행성 ‘HIP65426b’는 앞서 2017년 유럽남방천문대(ESO)의 초거대 망원경이 처음으로 관측했던 것이다. 당시 지상 망원경은 꿈도 못 꿀 해상도로 JWST가 외계 행성을 포착한 비결 가운데 하나는 근적외선 카메라(NIRCam)와 중적외선 측정기(MIRI)가 갖춘 코로나그래프(coronagraph)다. 이를 통해 항성(별)의 빛을 차단할 수 있어 외계 행성을 제대로 담을 수 있었다. 이번에 공개된 사진에서 작은 상자 안의 별 표시는 항성(HIP65426)의 위치를 뜻하고, 그 아래 반딧불이처럼 희미하게 보이는 것이 외계 행성 ‘HIP65426b’다. 천문학자들은 외계 행성 ‘HIP65426b’가 생긴 지 1500만~2000만년쯤 됐고, 질량은 목성의 5~10배라고 추정한다.
385광년에 이르는 먼 거리의 외계 행성을 촬영한 것에 대해 영국 가디언지는 “80㎞ 이상 멀리 있는 밝은 등대 옆에 있는 반딧불이 한 마리를 포착한 셈”이라고 했다. 학술지 ‘네이처’는 “천문학자들이 이번 성과가 태양계 밖 행성 연구에서 노다지를 캐는 계기가 될 것으로 기대하고 있다”고 전했다.
◇‘드레이크 방정식’ 재조명 계기
JWST로 외계 행성들을 더 자세히 관측하면 외계 생명체를 찾을 가능성도 커진다는 전망에 미국의 천문학자 프랭크 드레이크(92)도 다시 주목받고 있다. 지난 2일 세상을 떠난 드레이크는 지구와 교신할 수 있는 외계 문명이 얼마나 있을지 구하는 ‘드레이크 방정식’을 만든 것으로 유명한 인물이다. 그는 ①우리은하에서 1년 동안 탄생하는 별(항성)의 수 ②이 별들이 행성을 갖고 있을 확률 ③이 행성들 중에 생명체가 살 수 있는 행성 수 ④앞의 조건을 충족한 행성에서 생명체가 발생할 확률 ⑤이 생명체가 지적 문명으로 진화할 확률 ⑥이 문명이 지적 생명체가 외계에 신호를 보낼 정도로 발전할 확률 ⑦앞의 조건들을 충족한 지적 문명이 존속할 수 있는 시간 등 항목으로 방정식을 만들었다. 그가 세운 세티(SETI·외계 지적 생명체 탐사) 연구소에 따르면, 드레이크가 이 방정식으로 추정한 외계 문명 수는 1만이다. 드레이크는 1974년 지구에서 미지의 외계 지적 생명체에게 보내는 전파를 보냈고, 천문학자 칼 세이건과도 협업했다. 외계 지적 생명체 탐색의 선구자로 꼽혀온 그는 외계 생명체 탐사를 과학의 영역으로 불러들인 인물로 평가받는다.
JWST의 외계 행성 본격 포착을 계기로 천문학계에서 드레이크 방정식이 회자되는 이유다. 임명신 서울대 교수는 “JWST로 외계 행성을 더 뚜렷이 관측하게 되면 태양계 밖에서 우리와 비슷한 환경을 가진 행성을 찾는 일도 속도가 붙을 것”이라며 “외계에 다른 생명체가 존재하는지 궁금증을 풀어줄 실마리가 될 수도 있다”고 했다.