포스테키안

2022 가을호 / 기획특집 ③ / 제임스 웹 우주망원경

2022-10-17 197

우주에서 제임스 웹의 역할

제임스 웹 우주망원경이 우주로 발사된 만큼, 이 망원경이 찍어 온 사진들은 많은 사람의 이목을 집중시키고 있습니다. 제임스 웹 우주망원경은 허블 망원경을 통해 이전에 관측했던 성운도 더욱 뚜렷하고 선명하게 관측해냈습니다. 나아가, 외계행성에 대한 다양한 정보를 담아오기도 했는데요. 우리의 새로운 눈인 제임스 웹 우주망원경이 어떤 사진을 가져왔는지, 그리고 관측된 외계행성의 대기에서는 어떤 성분들이 발견됐는지 궁금하지 않나요? 마지막 꼭지에서 알아봅시다!

 

제임스 웹의 첫 번째 딥 필드
지난 2022년 2월에 보내온 큰곰자리 별빛 사진을 시작으로 제임스 웹은 우리에게 우주의 비밀을 담은 여러 사진을 가져다주고 있습니다. 그중에서도 흥미로운 사진을 하나 소개하고자 하는데요. 바로 제임스 웹 우주망원경이 촬영한 ‘딥 필드’입니다. 정식 명칭은 SMACS-0723 은하단이지만, 이의 애칭이 바로 웹의 첫 번째 딥 필드Webb’s First Deep Field인 것입니다.

이 사진은 이전에 허블 망원경이 찍었던 공간을 제임스 웹으로 다시 찍은 것일 뿐인데 왜 흥미로운 것일까요? 그것은 바로, 허블 망원경을 통해서는 관측하지 못했던 수천 개의 배경 은하들이 중력 렌즈 효과를 통해 드러났기 때문입니다! 여기서 중력 렌즈 효과란 무엇일까요? 이를 이해하기 위해서는 아인슈타인이 제시한 일반 상대성 이론을 먼저 알아봐야 합니다. 일반 상대성이론에 따르면 질량을 갖는, 즉, 중력을 갖는 물질은 시공간을 휘어지게 합니다. 우리는 ‘빛이 직진한다’라고 생각하고 있지만, 사실은 휘어진 곡면을 따라 움직이고 있는 것이며 관찰자인 우리 또한 그 휘어진 중력장 안에 속하기 때문에 이를 인지하지 못하는 것입니다. ‘빛의 휘어짐’이 바로 ‘중력 렌즈’와 관련이 있는데요.

우주 곳곳에는 블랙홀과 같이 질량이 큰 물질들이 숨어 있습니다. 이렇게 질량이 큰 물질들은 시공간을 크게 왜곡시키고, 이 때문에 빛이 마치 렌즈를 통과하는 것처럼 휘게 되죠. 이를 중력 렌즈 효과라 부릅니다. 그림 2를 살펴보면 중력 렌즈 효과에 의해 소용돌이처럼 휘어진 은하들, 확대되거나 미러링1이 일어난 은하들을 찾아볼 수 있습니다. SMACS-0723 은하단을 찍은 사진에서 NASA가 주목한 부분도 미러링과 관련이 있습니다.

그림 4의 왼쪽 사진은 SMACS-0723 은하단의 근적외선 사진입니다. 이 사진에서 강조된 두 부분, 겉보기에 굉장히 닮지 않았나요? 두 부분 모두 중력 렌즈 효과로 인해 휘어지고 늘어났지만 그럼에도 불구하고 밝게 빛나는 중앙이 굉장히 비슷합니다. 그렇다면 강조된 부분 속 은하는 비슷한 모습을 띠는 서로 다른 두 개의 은하일까요? 아니면 미러링 현상이 일어난 한 개의 은하일까요? 그 정답은 그림 4의 중앙 사진과 우측의 그래프를 통해서 알 수 있습니다. 중앙의 사진은 NIRISS grism을 통해 관측된 회절 스펙트럼 중 가장 밝은 중앙 부분을 관측한 것으로, 수소 원자와 이온화된 산소의 방출선이 어떻게 분포되어 있는지 보여줍니다. 그리고 이 스펙트럼을 옮겨 표시한 그림 4의 우측의 두 그래프 분포가 유사한 것으로 보아 그림 속 은하는 미러링 현상이 일어난 한 개의 은하임을 알 수 있습니다. 이와 같은 방법으로 제임스 웹이 찍은 사진을 통해 고대의 은하들을 분석하고 파악하는 것이죠.

외계 행성 관측과 대기 분석
제임스 웹은 딥 필드 사진에 이어서 뜨거운 가스 외계 행성 WASP-96b의 사진을 분광 스펙트럼의 형태로 공개했습니다. 대표적인 다섯 가지 외계 행성 관측법2 중 제임스 웹은 통과 관측법을 활용하여 외계 행성을 관측했는데요. 외계 행성은 각자 저마다의 모항성을 중심으로 공전하는데, 그렇기 때문에 외계 행성은 우리가 모항성을 관측하는 시야에 주기적으로 들어오게 됩니다.

그림 5에서도 확인할 수 있듯이, 행성이 항성 앞을 지날 때 항성의 광도가 감소하게 되고, 이 사실은 학자들이 해당 항성에 외계 행성이 존재한다는 결론을 내릴 수 있게 합니다. 이처럼 항성의 광도가 주기적으로 감소하는 그래프를 통해 외계 행성을 찾아내는 관측법을 통과 관측법이라고 부르는 것이죠. 사실 이 외계 행성의 존재, 크기, 무게, 궤도와 같은 정보는 이전의 관측을 통해 이미 밝혀진 바가 있습니다. 하지만 이번 관측을 통해서는 민감한 NIRISS와 NIRSpec을 활용하여 WASP-96b의 대기에 물이 존재하며, 구름과 연무, 그리고 이산화탄소가 존재한다는 자세한 정보까지 추가로 얻어낼 수 있었습니다.

항성으로부터 나온 빛이 행성의 대기를 지나면서 행성의 대기에 존재하는 다양한 성분들이 특정 파장의 빛을 흡수하게 됩니다. 이렇게 특정 파장의 빛이 흡수된 후 얻게 되는 스펙트럼과 행성의 대기를 통과하지 않을 때 얻게 되는 빛의 스펙트럼을 비교하여, 행성의 대기에 흡수되는 빛의 스펙트럼을 얻을 수 있게 되는데요. 그림 6의 위와 아래는 각각 NIRISS와 NIRSpec을 통해 관측한 것으로, 행성의 대기에 의해 흡수되는 특정 파장의 빛의 양을 보여주고 있습니다. 그림을 통해서 해당 피크들이 수증기와 이산화탄소가 존재하는 대기에서 보이는 피크들의 위치와 유사하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, WASP-96b에 물과 이산화탄소가 존재한다는 증거가 되는 것이죠.

추가로, 그림 7은 WASP-96b의 대기에 이산화탄소가 존재한다는 또 다른 증거인데요. 그림 속에서 빨간색은 4.7µm 파장의 빛을 나타내고, 초록색은 4.3µm 파장의 빛을, 파란색은 3.0µm 파장의 빛을 나타냅니다. 그림에서 확대된 부분인 행성이 항성을 가렸을 때를 더욱 자세히 살펴보면, 초록색으로 표현한 4.3µm 파장의 빛이 파란색, 빨간색으로 표현한 다른 파장의 빛에 비해 어둡게 측정된 것을 확인할 수 있습니다. 즉, 4.3µm 파장의 빛이 행성의 대기에 의해 더 많이 흡수됐다는 뜻인데요. 이산화탄소가 흡수하는 특정한 빛의 파장이 4.3µm라는 사실을 종합해 보면, 대기 중에 이산화탄소가 존재한다는 결론을 내릴 수 있게 되는 것이죠. 이전 관측을 통해 수증기, 나트륨, 칼륨 등의 존재 가능성은 밝혀진 바가 있었지만, 이산화탄소는 뜻밖의 수확이었기 때문에 WASP-96b에서 이산화탄소의 발견은 물의 발견보다 더 큰 의의가 있습니다. 이처럼 제임스 웹 우주망원경의 발사를 통해 기존에 밝혀졌던 정보를 뛰어넘는 사실들을 하나둘 파헤치고 있어, 앞으로 더욱 자세한 외계 행성들에 대한 자료, 그곳에서의 외계 생명체 생존 가능성 등 다양한 정보들이 전해질 수 있을 것으로 학자들은 기대하고 있습니다.

지금까지 우주의 역사, 제임스 웹 우주망원경의 구조와 발사 과정, 그리고 우주에서 제임스 웹의 역할까지 다양하게 알아보았는데요. 현재 제임스 웹은 우리가 보지 못했던 우주의 구석구석을 꾸준하게 담아오고 있습니다. 덕분에 어둡고 신비로운 미지의 공간이라고만 여겨지던 우주가 많은 사람들에게 더욱 더 친근한 공간으로 다가오고 있는 것 같습니다. 앞으로도 우주의 비밀들을 하나씩 파헤치며 제임스 웹 우주망원경이 우주에서 수행해야 하는 네 가지 미션을 모두 잘 수행하길 응원하겠습니다. 포스테키안 독자 여러분들에게 이번 기획특집이 제임스 웹 우주망원경에 대해 알아가는 데 많은 도움이 되었길 바라며 글을 마치겠습니다.

[각주]

1. 하나의 천체로부터 나온 빛이 중력 렌즈 효과에 의해 여러 개의 반사된 상으로 보이게 되는 현상
2. 시선 속도법, 통과 관측법, 직접 관측법, 위치 천문학을 활용한 관측법, 미세중력효과를 활용한 관측법

[참고자료]

1. 과학기술정보통신부, 「중력렌즈는 어디에 쓰일까?」, 『과학기술정보통신부 블로그』, 2020.01.24
https://blog.naver.com/with_msip/221782877152
2. 「Webb spectra confirm two arcs are the same galaxy」, 『THE EUROPEAN SPACE AGENCY』, 2022.07.12
https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2022/07/Webb_spectra_confirm_two_arcs_are_the_same_galaxy
3. 「NASA’s Webb Reveals Steamy Atmosphere of Distant Planet in Detail」, 『NASA』, 2022.07.12
https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-reveals-steamy-atmosphere-of-distant-planet-in-detail
4. 「NASA’s Webb Detects Carbon Dioxide in Exoplanet Atmosphere」, 『NASA』, 2022.08.25
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-webb-detects-carbon-dioxide-in-exoplanet-atmosphere
5. 「JAMES WEBB SPACE TELESCOPE | GODDARD SPACE FLIGHT CENTER」, 『NASA』
https://jwst.nasa.gov/content/science/origins.html#related
6. 「Exoplanet WASP-96 b (NIRISS Transit Light Curve)」, 『WEBB SPACE TELESCOPE』 2022.07.12
https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/032/01G72W1XZK6A79RJK2Z93D58CD

 

글 / 전자전기공학과 21학번 27기 알리미 황예원