[우리나라의 우주 개발이 속도를 내고 있습니다. 올해 6월 한국 최초의 우주발사체 '누리호' 발사가 성공했고, 지난 8월 쏘아올린 달 궤도선 '다누리호'는 우주에서 영상과 사진, 문자를 보내오고 있습니다. 우주에 관한 높아진 관심과 호기심을 풀어주기 위해 경제관료 출신 이철환씨가 최근 출간한 <우주패권의 시대,4차원의 우주이야기>중 일부를 저자와 협의해 칼럼 형식으로 게재합니다]

천체망원경(Astronomical Telescope)은 천체에서 오는 전자기파를 모아서 관측하는 망원경이다. 어두운 천체의 빛을 넓은 면적에 모아서 밝게 보여주고, 분해 능력을 높여서 더욱 세밀한 천체의 모습을 보여준다. 천체망원경은 관측하는 파장에 따라 광학망원경, 적외선 망원경, 전파망원경, 자외선 망원경, X선 망원경, 감마선 망원경, 우주배경복사를 관측하는 마이크로파 망원경 등으로 나뉜다. 그리고 설치된 위치에 따라서도 나뉘는데, 지표면에 설치되는 지상망원경(ground-based telescope)과 인공위성 등의 우주궤도에 놓이는 우주망원경(space telescope)이 있다.

지상망원경은 지구 대기에 의해 대부분의 전자기파들이 차단되어, 가시광선과 전파 영역에서만 천체를 관측할 수 있다. 이에 반해 우주망원경은 지구 대기의 바깥에 있으므로 모든 파장의 전자기파를 관측할 수 있는 장점이 있다. 그래서 우주에서 오는 감마(γ)선, X선을 비롯하여 자외선과 적외선, 마이크로파(micro 波)를 관측하기 위해서 우주망원경을 띄운다. 또 지구 대기의 영향을 받지 않기 때문에 가시광선에서도 더 좋은 영상을 얻을 수 있다. 이처럼 우주망원경이란 지상관측이 불가능한 파장대역(Wavelength Bandwidth)의 관측이나 지상보다 좋은 관측조건을 얻기 위해 우주공간에 망원경을 설치하는 것을 뜻한다.

관측 시간상의 제약이 없다는 것도 우주망원경의 장점이다. 지구의 낮과 밤, 날씨와 상관없이 24시간 관측을 지속할 수 있다. 지상망원경의 경우 1년의 절반은 낮이므로 기본적으로 관측이 불가능하다. 또 남은 일수의 절반은 달의 존재로 인해 고품질의 관측을 수행하기 힘들다. 거기다가 구름이나 상층 대기의 상태에 따라 남은 일수는 더더욱 줄어들게 된다. 이에 비해 우주망원경은 사실상 태양이나 지구에 의해 가려지는 부분을 제외하면, 1년 내내 온 하늘을 관측할 수 있다.
다만, 우주망원경은 지상망원경에 비해 추가적인 장비가 필요하고 업그레이드하기가 어려워서 가동 기간이 짧다는 단점이 있다. 아울러 발사와 유지에 엄청난 비용이 소요된다는 문제도 있다. 참고로 허블 우주망원경에는 발사 및 수리, 운영비까지 합쳐 약 100억 달러가 들어갔다.

이처럼 우주망원경은 지상에서 관측하기 불가능한 파장대를 관찰하기 위하여 만들어졌다. 즉 자외선, X선, 감마선, 적외선 등을 관측하기 위한 목적으로 사용된다. 빛은 파장이 짧은 쪽부터 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파로 나눠진다.
이 천체에서 나오는 파장의 특성에 맞추어 관측하는 우주망원경들이 각기 탄생하게 되었다. 대표적인 우주망원경인 허블(Hubble)은 가시광선 망원경이다. 지구와 유사한 외계행성을 찾는 임무를 지닌 케플러(Kepler)와 TESS도 가시광선 망원경의 일종이다. 적외선 망원경은 멀고 어두운 천체를 관측하는 데 가시광선 망원경보다 훨씬 유리한데, 허블 우주망원경의 후속이 될 제임스웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)도 적외선 관측용의 하나다.

우주망원경의 궤도는 탑재되는 인공위성에 따라 다양하게 구분된다. 낮은 고도에서 지구 주위를 도는 지구 저궤도(LEO, Low Earth Orbit)부터, 멀리는 지구-태양 간의 중력 균형점인 라그랑주 점(Lagrangian point)에서 관측하는 우주망원경들도 있다. 또 행성이나 소행성, 혜성에 다가가서 관찰하거나, 태양계를 벗어나 심우주로 나아가는 우주탐사선에 탑재된 것들도 있다.

우주망원경의 역사는 천문학자 라이만 스피처(Lyman Spitzer)가 최초로 제안했던 1946년까지 거슬러 올라간다. 스피처는 관측 장비를 지구 대기권 바깥에 존치시켜 지구 대기요동에 의한 질 저하를 피하고, 지구 대기로 인한 관측 파장의 제한을 받지 않는 망원경을 건설하자고 제안했다. 스피처의 제안은 그 후 계속 논의되어 오다가 1969년 미국 NASA에서 구체적으로 검토되기 시작하였다.
마침내 1990년 4월 24일 우주왕복선 디스커버리(Discovery)호에 실려 우주망원경이 하늘로 올라가게 되었다. 이 망원경이 바로 우주가 팽창되고 있다는 사실을 밝혀낸 미국 천문학자 허블(Hubble)의 이름을 따서 명명된 '허블 우주망원경(Hubble Space Telescope)'이다. 허블 우주망원경은 길이가 13m나 되며 렌즈의 구경만 2.4m에 달하는 등 인공위성으로서는 매우 큰 편이기 때문에 일반 발사체에 실려 궤도에 올라가지 않고 우주왕복선 디스커버리호에 실려 궤도에 올랐다.

1995년 허블 우주망원경이 촬영한 '허블 딥필드(Hubble Deep Field)' 사진은 사람들이 인식할 수 있는 우주의 크기를 크게 넓혔다. 물리학자 아인슈타인이 우주를 설명하는 상대성 이론을 발표해 노벨 물리학상을 받은 20세기 초까지만 해도 사람들 인식 속의 우주 범위는 지름 약 10만 광년의 우리 은하에 불과했다. 그러나 허블 딥필드 사진 속에는 우리 은하와 같은 외부 은하들 수천 개가 찍혀있었다. 이후 이보다 더 많은 은하, 더 오래된 은하 모습을 담은 '울트라 딥필드(Hubble Ultra Deep Field)', '익스트림 딥필드(Hubble Extreme Deep Field)' 관측에도 성공했다.
과학자들은 허블 우주망원경을 통해 우주의 구체적인 나이도 측정하였다. 즉 1998년 초신성 관측을 통해 우주공간이 팽창하는 속도를 알아내었다. 이를 통해 우주가 원래 한 점이었던 시점, 즉 우주의 탄생 시점이 138억 년 전임을 밝혀내었다. 이는 우주공간이 팽창하는 속도를 제대로 관측할 수 없어서 우주의 나이를 100~200억 년 정도로 불확실하게 추정해왔던 이전과 비교하면 훨씬 정교해진 계산이라고 할 수 있다.

허블 우주망원경은 지상 559km의 저궤도에서 96분마다 한 번씩 지구궤도를 돌며 관측 활동을 해왔다. 이처럼 우주공간에 설치된 관계로 대기권의 간섭을 거의 받지 않기 때문에 지상의 다른 천체망원경보다 해상도가 10~30배, 감도는 50~100배 뛰어난 관측 능력을 지녔다. 다만, 크기의 한계가 있다 보니 지상망원경에 비해 집광력이 떨어져서 어두운 천체를 관측하기 위해서는 며칠간의 긴 노출이 필요했다.
한편, 허블망원경을 이처럼 지구 저궤도에 설치한 이유는 우주왕복선을 이용하여 고장 수리와 기기 교체를 하는 등의 정비작업을 할 수 있도록 하기 위해서였다. 이를 통해 망원경의 수명을 연장하고 성능을 높일 수 있었다. 그렇지만 저궤도는 지구복사 에너지가 높아서 상이 안 좋아지는데, 이러한 배경 열은 잡광(stray light)과 함께 최대한 차단해야만 고품질의 관측 자료를 얻을 수 있다. 그래서 허블 우주망원경은 배플(baffle)과 칸막이(vane), 그리고 추가로 경통과 뚜껑을 설치해서 2중, 3중으로 배경 열과 잡광을 차단하였다.

허블 우주망원경은 저궤도에 위치한 관계로 접근성이 좋아 우주공간에서 운용되는 동안 수차례에 걸쳐 우주비행사들이 고장이 난 부분을 수리하고 장비도 업그레이드해왔다. 2003년 우주왕복선 컬럼비아호 사고 이후에는 더이상 존치시키기가 어렵다는 판단 아래 폐기하는 문제를 심각히 고려했었다.
그러나 허블 우주망원경을 계속 보수해서 사용하기를 원하는 천문학자들의 여론에 NASA는 기존의 입장을 번복하고 다시 수리와 정비를 거쳐 임무를 수행해 오고 있다. 이런 상황 속에서 마침내 2021년 12월 25일, 허블 우주망원경보다 성능이 뛰어난 제임스웹 우주망원경(JWST)을 후임자로 발사하였다. 아울러 2027년경 낸시 그레이스 로만 우주망원경이 올라가면 대기권으로 추락해 소멸될 예정이다.

제작에만 약 100억 달러가 투입된 '제임스웹 우주망원경(JWST, James Webb Space Telescope)'은 주반사경으로 모인 빛을 반사하는 보조반사경과 관측장비 4개로 구성된다. 태양과 지구의 반대쪽에서 먼 우주를 향하게 되는 주반사경은 1.3m 크기의 육각형 반사경 18개로 이루어져 있다. 반사경의 크기가 크고 시야 또한 넓어 한정된 시간에 넓은 영역을 관측할 수 있기에 훨씬 효율적이다.
관측영역 또한 허블이 가시광선과 근적외선 정도인 데 비해 적외선까지도 관측이 가능하다. 적외선 영역으로 우주를 관측하면 더 먼 거리의 별을 볼 수 있다. 우주의 먼지에 가려 그동안 관측이 어려웠던 별들도 적외선을 쓰면 효과적으로 투시할 수 있기 때문이다. 과학계에선 제임스웹 우주망원경의 총체적인 관측 능력이 허블 우주망원경보다 100배 강하다고 본다.
주반사경이 다 펼쳐지면 지름이 6.5m로, 2.4m인 허블 우주망원경의 2.7배에 이르며, 시야각은 15배이고, 빛은 약 7배 더 많이 받아들이게 된다. 이처럼 반사경은 훨씬 커졌지만, 망원경 전체의 무게는 6.5톤(t)으로 허블의 절반밖에 안 된다. 가벼운 금속인 베릴륨 소재에 금을 코팅하여 제작했기 때문이다.

제임스웹 우주망원경의 발사일정은 원래 2007년으로 계획되어 있었으나, 이후 수차례에 걸쳐 연기되어 왔다. 이에는 기존 허블 우주망원경에 대한 애착뿐만 아니라 기술상의 문제, 그리고 예산상의 문제도 작용하였다. 2014년으로 미뤄졌던 발사 계획이 2018년으로 변경되었다가 다시 2019년으로 그리고 또다시 2020년 5월로 연기되었다. 그러나 이 일정 역시 시험 중에 발견된 문제로 인해 2021년 3월로 연기되었고, 결국 2021년 12월에야 우주공간으로 올라가게 되었다.
제임스웹 우주망원경은 지구로부터 150만km 정도 떨어져 있는 2번째 라그랑주(L2) 지점 주위의 리사주 궤도(Lissajous orbit)에서 태양궤도를 선회하며 심우주를 관측한다. 허블보다 2,700배 높이 뜨는 셈이다. 라그랑주 지점은 태양과 지구의 인력과 우주망원경의 원심력이 균형을 이루는 지점을 의미한다. 문제는 이처럼 너무나 멀리 떨어져 있기에 문제가 생기면 그대로 버려야 한다는 것이다. 허블의 경우 문제가 발생하면 우주왕복선을 띄워서 수리를 할 수 있었지만, 제임스웹은 너무 멀어서 불가능하다.

제임스웹 우주망원경의 주된 임무는 은하계와 원시성이 파장을 방출하는 근원의 관찰을 목표로, 초기에 복사된 적외선을 관측하기 위해 설계되었다. 이처럼 적외선을 관측하는 이유는 초기의 우주 천체에서 복사된 빛은 적색편이 현상을 보이기 때문이다. '적색편이(赤色偏移)'는 별에서 나오는 빛이 우주가 팽창하면서 파장이 늘어나 자외선이나 가시광선에서 적외선으로 바뀌는 현상을 말한다.
2022년 7월 마침내 첫 작품을 내놨다. 제임스웹 우주망원경이 지름 6.5m의 주경을 이용해 지구에서 46억 광년 떨어진 'SMACS 0723' 은하단을 촬영한 사진이다. 이를 통해 NASA는 우주가 형성되고 약 3억 년 후인 135억 년 전에 생성된 별빛을 잡아낼 계획이다. 이 계획이 성공한다면 우주가 어떤 흐름을 거쳐 현재에 이르게 됐는지를 규명할 확실한 증거를 찾게 된다.

제임스웹 우주망원경의 또다른 주요 임무는 대기 분석을 통한 외계생명체 탐사이다. 기존의 '외계지적생명체탐사(SETI, Search for Extra-Terrestrial Intelligence)' 업무는 고도의 문명이 발달한 지능이 있는 외계생명체만 발견할 수 있었다. 그러나 제임스웹 우주망원경은 원시적인 생명체라도 행성 대기 구성 성분에 영향을 줄 수 있을 정도로만 번성하면 발견할 수 있다. 이는 다시 말해 SETI보다 외계생명체의 발견 확률을 수천~수만 배 더 올릴 수 있다는 것이다.

한편, '낸시 그레이스 로만 우주망원경(Nancy Grace Roman Space Telescope)'은 2027년경 발사 예정인 미국의 차세대 자외선 우주망원경이다. 헤일로 궤도를 돌며 가시광선 및 근적외선 관측 임무를 수행할 예정이다. 주 렌즈 크기는 허블 우주망원경과 동일한 2.4m이지만, 시야각은 허블 우주망원경보다 100배나 넓으며 초점은 더욱 또렷하게 맞출 수 있다. 허블 우주망원경의 후속 망원경인 만큼, 이 망원경이 우주에 올라가고 나면 허블 우주망원경은 태평양으로 추락· 폐기될 예정이다.
이밖에도 몇몇 초대형 천체망원경 프로젝트들이 기획되어 추진 중이다. 한국천문연구원이 미국과 호주 등 세계 주요 우주기관과 공동으로 제작 중인 거대 마젤란 망원경(GMT, Giant Magellan Telescope), 미국 캘리포니아 공대 등이 건설을 추진 중인 30m 망원경(TMT, Thirty Meter Telescope), 유럽남천문대(ESO)가 칠레에 건설 중인 유럽극대망원경(ELT, European Extremely Large Telescope) 등은 모두 2025년 전후로 완공 예정인 지상망원경이다.