제임스 웹의 구성과 원리

크고 방대한 우주를 관측하고 분석하는 것은 인류에게 매우 중요한 과제 중 하나로 뽑을 수 있습니다. 과거부터 우주를 볼 수 있는 눈이 되어 주었던 허블 망원경을 뒤로하고 새로운 눈이 될 제임스 웹 망원경이 쏘아 올려졌다고 하는데요! 이 망원경은 어떤 구조를 가지기에 새로운 우주의 모습을 관측할 수 있는 걸까요? 또, 어떤 과정을 통해 우주에 무사히 설치될 수 있었는지, 관련 내용을 이번 꼭지에서 알아봅시다!

제임스 웹 우주망원경의 구성과 발사 과정
제임스 웹 우주망원경은 크게 네 부분으로 나눌 수 있습니다. 주경과 부경, 카메라 부분이 담겨있는 OTE라고 불리는 광학 망원경 요소, 촬영한 사진을 선명하고 정확하게 하기 위한 부품이 담긴 과학기기 모듈ISIM, 망원경 전체를 움직이게 하는 우주선 부분과 망원경을 강력한 태양열로부터 보호하는 태양 차단막으로 구성되어 있습니다.

이렇게 구성된 제임스 웹을 우주에 보내야 하는데, 어느 위치로 보내야 할까요? 별을 관측하기 위해서는 두 가지 조건을 만족해야 합니다. 지구에서 볼 때 항상 같은 위치에 존재해야 하고, 태양을 중심으로 공전해야 한다는 점인데요. 망원경이 계속 다른 위치로 바뀌게 되면 일정한 별의 사진을 찍지 못하기 때문입니다. 또, 태양 차단막은 흔히 태양 빛을 막아 주기도 하지만 지구에서 오는 적외선 또한 막아야 하기에 이 두 빛을 모두 막으려면 태양을 중심으로 공전하는 것이 가장 좋다고 합니다. 이 두 가지 조건을 모두 만족하기 위해서는 라그랑주 점에 위치해야 합니다. 라그랑주 점은 수학적으로 천체에 가해지는 중력이나 원심력으로부터 받는 알짜힘이 0이 되는 지점인데요. 이곳에 위치하고 있으면 천체가 중력과 같은 힘에 움직이지 않아 늘 일정한 위치에 있을 수 있다고 합니다. 이런 라그랑주 점은 총 5개가 존재합니다.

그림의 점 중 1~3은 불완전 평형점으로 위치가 약간 벗어나면 다시 돌아오지 못하는 점이고, 4, 5는 완전 평형점으로 살짝 움직이더라도 제자리로 돌아갑니다. 제임스 웹 망원경은 2에 위치하고 있는데, 왜 완전 평형점에 있지 않은 걸까요? 그 이유는 주위에 있는 운석들도 모두 그 점으로 모이기 때문에 충돌을 피하기 위해 불완전 평형점에 위치한다고 합니다. 그렇다면, 점의 위치는 어떻게 구할 수 있을까요? 방법은 힘의 평형을 이용하는 것입니다.

행성 x가 받는 총 중력의 크기와 x의 원심력의 크기 같아야 한다는 것, 그리고 행성 x의 공전 주기는 지구와 태양 간의 공전 주기와 동일하다는 사실을 통해 식을 세울 수 있습니다. (MS : 태양질량, ME : 지구질량, w : 각속도)

두 식의 각속도가 같다는 사실을 이용해 계산하면 다음과 같습니다.

수식으로 표현되어 있어 가늠이 잘 가지 않겠지만 무려 150만km 떨어진 위치에 있다고 합니다. 정말 놀랍지 않나요?

ISIM 장치
ISIM 장치는 주요 관측기기로 이루어져 있는 과학 모듈입니다. 각 장치를 알아보기 전, 분광기가 무엇인지와 어떻게 작동되는지 그 원리에 대해 간단히 알아봅시다. 분광기는 빛이 방출하거나 흡수하는 빛의 스펙트럼을 관측하고 들어온 빛을 쪼개어 주는 장치인데요. 흔히 분광기는 프리즘을 이용하여 가시광선을 분해합니다. 그러나 제임스 웹은 적외선을 관측하기 때문에 빛의 파장에 따라 달라지는 회절격자와 프리즘을 합친 그리즘Grism이라는 것을 이용하게 되죠. 그리즘을 평행광의 진행 경로에 삽입하면 회절 스펙트럼을 형성하여 어떤 파장대의 빛이 들어왔는지 확인하는 역할을 합니다.

적외선은 파장의 길이에 따라 근적외선, 중적외선, 원적외선으로 분류하고 있습니다. 따라서 분광기는 망원경에 들어온 하나의 빛을 파장의 길이에 따라 나누고 더 강한 빛으로 만들어주어 별을 촬영하는 것에 도움을 줍니다.
그렇다면 각 장치에 대해 알아봅시다! ISIM에는 크게 NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS, MIRI 총 4가지로 구성되어 있습니다. 먼저 NIRCam으로 불리는 Near InfraRed Camera, 근적외선 카메라는 말 그대로 근적외선 파장의 빛을 카메라를 이용하여 촬영하는 장치를 의미합니다. 근적외선 분광기NIRSpec는 들어온 빛에서 근적외선의 스펙트럼을 알려주는 역할을 하고 있습니다. 비슷하게 사용되는 중적외선 관측기기인 MIRI는 중적외선의 빛을 관측하는 장치로, 카메라의 기능과 분광기 기능을 모두 포함하고 있습니다. 그런데, 중적외선과 근적외선은 모두 파장이 길고 에너지가 작아 촬영하기가 힘들 텐데, 어떻게 촬영하는 걸까요? 그 방법은 바로 코로나그래프Coronagraph를 이용하는 것입니다. 코로나그래프는 빛이 강한 천체의 강한 빛을 막아 주변의 흐린 물체를 볼 수 있게 하는 특수한 망원경인데요. 개기일식에 태양 코로나를 관측하기 위해 발명된 코로나그래프는 인공적인 개기일식을 만들고 망원경의 경통 내에 생기는 산란광을 되도록 적게 하도록 만들어졌는데, 이 방법을 이용하여 NIRCam과 MIRI를 제작하여 작은 에너지를 가진 빛이라도 촬영할 수 있게 되는 겁니다. 마지막 장치인 FGS/NIRISS중 FGSFine Guidance Sensor는 망원경이 표적을 정확하게 보기 위해 망원경의 방향 및 위치를 정밀하게 제어하기 위한 장치입니다. NIRISSNear Infrared Imager and Slitless Spectrograph는 0.8~5.0마이크론 범위의 파장을 처리하는 분광기입니다. 특이한 점은 슬릿Slit이 없는 분광기를 사용한다는 것인데요. 이 방법은 슬릿 없이 작은 영역의 빛만 회절시키는 천체 분광법 중에 하나로 넓은 시야를 제공하나 복잡한 곳에서는 각 포인트를 스펙트럼으로 퍼뜨리기 때문에 너무 혼란스러워 사용하지 않는다고 합니다. 이 NIRISS는 첫 번째 빛을 감지하고 외계 행성의 감지에 특성화된 장치라고 하네요. 이렇듯 제임스 웹은 다양한 장치를 이용하는데, 모두 정확히 작동되기 위해 어떤 과정이 필요한지 알아봅시다!

제임스 웹이 사진을 찍기 위한 준비 과정
망원경에서 주경의 주된 역할은 적외선을 모으는 것인데요. 이 모인 빛을 반사해 ISIM 장치에서 촬영하거나 여러 분석 과정을 진행할 수 있습니다. 그런데, 18개의 거울이 주경의 역할을 하는 만큼 하나의 별을 찍더라도 18개의 이미지가 찍히게 되는 현상이 일어납니다.
그렇기 때문에 18개의 거울이 모두 한곳을 바라보게 하여 찍는 작업이 필요한데요. 하나의 초점으로 맞추기 위한 여러 과정을 알아봅시다!
가장 먼저, 각 별이 어느 거울에서 찍힌 것인지를 파악Segment Image Identification해야 합니다. 18개의 거울을 조금씩 모두 움직여 보면서 어떤 거울에서 왔는지를 파악한 뒤, 각 거울이 위치한 곳에 찍힐 수 있도록 거울을 조정하는 ‘이미지 배열Image Array’을 거치게 됩니다.

이 과정을 거치면 거울이 위치한 모양대로 찍히게 되지만 빛 번짐이 심한데, 이를 고치기 위해 ‘세그먼트 정렬Segment Alignment’을 진행합니다. 이 정렬은 각 거울에 ‘위상 검색Phase Retrieval’이라는 수학적 기법을 이용해 거울을 조금씩 조절하여 빛 번짐이 없도록 조정합니다.

이렇게 빛 번짐이 없는 18개의 빛이 나오게 되면, 모든 빛을 한곳에 모으는 이미지 스태킹Image Stacking이 필요합니다. 그 뒤, 18개의 빛이 하나로 모이면 정렬이 완료되었다고 생각할 수 있습니다. 그러나 제임스 웹은 적외선을 관측하기에 거울 하나의 오차 정도가 빛의 파장보다 작게 정렬되어야 할 정도로 엄청난 정확도를 요구합니다. 이를 위해 거친 위상 정렬Coarse Phasing을 거치는데, 이는 ISIM에 부착된 NIRCam을 이용하여 광스펙트럼을 찍고 각 거울의 Segment에 대한 수직 변위를 측정합니다.

이러한 수직 변위를 최대한 줄여 더욱 정밀하게 정렬될 수 있도록 합니다. 그럼에도 미세한 위상 조정을 위해 미세 위상 정렬Fine Phasing을 진행합니다. 이는 세그먼트 정렬 기법을 활용하여 빛 번짐을 바꾸어 가며 더욱 미세하게 거울을 조정합니다. 이를 모두 거친 NIRCam의 시야에는 거울이 모두 잘 정렬되어 있습니다. 이 미세한 조정을 나머지 ISIM 장치의 기기에도 적용하는 것을 끝으로 모든 정렬을 끝내게 됩니다. 이 많은 과정을 3개월 동안 끊임없이 반복하여 완벽한 사진을 찍어낼 수 있었다고 하네요! 모든 과정을 거친 사진은 ISIM의 하단 부품에서 지구로 송신한다고 합니다.

제임스 웹 망원경은 발사될 위치와 거울의 방향 하나하나를 세심하게 조절하여 우리 눈으로 볼 수 없는 우주를 관측할 수 있게 해주었는데요. 그렇다면 이 제임스 웹 망원경은 어떤 사진을 찍어왔을까요? 또, 제임스 웹을 이용하면 모르는 행성의 대기 구성을 알려주기도 하여 외계 행성에 관한 연구를 집중적으로 할 수 있게 되었다고 하던데, 어떤 원리를 이용한 것일까요? 다음 장에서 알아봅시다!

[참고자료]

1. 한국천문연구원, 「라그랑지 역학」, 2017.3.31. https://astro.kasi.re.kr/learning/pageView/5233
2. NASA, 「The James Webb Space Telescope Observatory」
https://www.nasa.gov/mission_pages/webb/observatory/index.html
3. SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE, 「SCIENCE INSTRUMENTS」
https://www.stsci.edu/jwst/instrumentation/instruments
4. NASA, 「The James Webb Space Telescope Instruments」
https://www.nasa.gov/mission_pages/webb/instruments/index.html
5. NASA, 「The James Webb Space Telescope: Photons Incoming: Webb Team Begins Aligning the Telescope 」
https://blogs.nasa.gov/webb/2022/02/03/photons-incoming-webb-team-begins-aligning-the-telescope/
6. JWST User Documentation, 「JWST Wide Field Slitless Spectroscopy」
https://jwst-docs.stsci.edu/methods-and-roadmaps/jwst-wide-field-slitless-spectroscopy

글 / 컴퓨터공학과 21학번 27기 알리미 김나림