망원경 30년 역사… 제임스 웹 우주망원경 날아오른다~! [천문학] 허블 울트라 딥 필드, 허블

허블 울트라 딥필드 허블 우주 망원경 30년의 역사… 제임스 웹 우주 망원경 날아오르다~!

블랙홀 우주 나이…우주교과서를 쓴 허블우주망원경 뒷길 [중앙일보] 입력 2021.12.23 15:36 업데이트 2021.12.23 23:00 최준호 기자 문희철 기자

허블 망원경

「100억 광년 이상의 과거를 내다보는 획기적인 망원경으로, 천문학은 혁명의 시대를 맞이하게 될 것이다」 「갈릴레오의 망원경의 발명으로부터, 지금까지 400년간 쌓아 온 것보다, 더 크게 인간의 천체관측 능력을 향상시키는 것」 「허블의 출현으로, 우리 모두를 놀래키는 우주의 진실이 밝혀질 것이다」1990년 4월 25일의 허블 우주 망원경의 발사를 앞두고, 당시, 「허블 우주 망원경의 발사를 앞두고,

제임스 웹 우주망원경이 심우주로 발사되면 지구 상공 559km에 떠 있는 허블 우주망원경은 지난 30년간 지켜온 인류 최고의 우주망원경 자리를 내주어야 한다. 그러나 지금까지 허블우주망원경이 이룩한 우주과학의 역사는 잊을 수 없다.

블랙홀 관측은 허블우주망원경의 대표적인 업적이다. 1992년 허블우주망원경은 거대 블랙홀이 있을 것으로 추정되는 은하 M87 중심부를 관측하는 데 성공했다. M87에는 지금까지 알려지지 않은 가스 원반이 초속 750km의 속도로 회전하고 있었다. 그 중심에는 태양의 20억30억 배에 달하는 큰 질량이 존재하는 것으로 나타났다. 블랙홀 발견이었다. 6년 뒤에는 이곳에서 거대한 제트가 분출하는 것을 관측하는 데 성공했다.

허블망원경의 대표적 작품인 창조의 기둥 독수리 성운의 가스와 티끌로 된 3개의 탑 모양 수광년 정도 높이이다. [사진 NASA]

137억년. 허블우주망원경이 밝혀낸 우주나이다. 우주의 팽창속도를 나타내는 허블상수 측정치의 오차를 종전의 50%에서 10%로 줄일 수 있었기 때문이다. 우주에서의 나이는 막연히 100억200억 년으로 추정됐다.

‘허블 딥필드(Hubble Deep Field)’도 대표적인 업적이다. 1995년 12월 허블우주망원경은 성운도 없는 것처럼 보이는 북두칠성 주변의 검은 하늘을 촬영했다. 열흘간의 노출을 통해 얻은 이미지는 놀라웠다. 아무것도 없을 줄 알았던 그곳에는 70억 년 전의 밝은 은하부터 120억 년 전의 것으로 보이는 희미한 점까지 보름달 직경의 30분의 1도 안 되는 좁은 하늘에서 최소 2000개 이상의 은하가 나타났다. 그 후 2003년 9월2004년 1월 촬영해 얻은 허블 울트라 딥필드 이미지에는 약 130억 년 전 우주 탄생 후 얼마 되지 않아 태어난 약 1만 개에 달하는 은하가 나타났다.

1990년 발사 당시 허블우주망원경의 설계수명은 15년이었다. 이후 우주왕복선을 통한 다섯 차례의 대대적인 개보수를 통해 30년이 지난 지금까지도 활약하고 있다. 그러나 최근 들어 고장이 잦아지는 등 수명이 다가오고 있다. 미 항공우주국(NASA)이 2011년 애틀랜티스를 끝으로 우주왕복선 운영을 중단했기 때문에 더 이상의 수리는 불가능하다. NASA에 따르면 허블은 2028년부터 2040년 사이에 자연스럽게 대기권에 재진입해 운명을 마칠 것으로 추정된다.

허블 망원경이 촬영한 ‘우주의 장미’ Arp 273로 알려진 두 개의 상호작용하는 은하가 우주의 장미 줄기와 꽃잎 모양을 하고 있다. 지구에서 3억5000만 년 떨어져 있으며 안드로메다자리에 위치해 있다. [사진 NASA]

박병곤 한국천문연구원 대형망원경사업단장은 “허블우주망원경은 대기가 거의 없는 지구 상공 559㎞ 궤도에 올라 지구를 돌고 있기 때문에 수만 시간 노출되면 거의 100억 광년 밖의 은하를 관찰할 수 있었다”며 “별의 생성과 소멸 과정 연구 등 지난 30년간 허블이 인류에 기여한 업적은 셀 수 없을 정도로 많다”고 말했다.

최준호 과학미래전문기자 문희철 기자 [email protected]

「100억 광년 이상의 과거를 내다보는 획기적인 망원경으로, 천문학은 혁명의 시대를 맞이하게 될 것이다」 「갈릴레오의 망원경의 발명으로부터, 지금까지 400년간 쌓아 온 것보다, 더 크게 인간의 천체관측 능력을 향상시키는 것」 「허블의 출현으로, 우리 모두를 놀래키는 우주의 진실이 밝혀질 것이다」1990년 4월 25일의 허블 우주 망원경의 발사를 앞두고, 당시, 「허블 우주 망원경의 발사를 앞두고, 제임스 웹 우주망원경이 심우주로 올라가면 지구 상공 559km에 떠 있는 허블 우주망원경은 지금까지 30년 넘게 지켜온 인류 최고의 우주망원경이다.www.joongang.co.kr

허블 울트라 딥 필드

존재하지 않는 이미지입니다.허블 익스트림 딥 필드의 13색 합성 사진. 2003년부터 2014년까지 행해진 모든 HUDF 관측과 XDF(eXtreme Deep Field) 관측을 종합한 결과이다. 소수의 거대 항성을 제외하면 이 사진 속에 있는 대다수의 발광원들은 각각 수억수천억 개의 항성을 거느리고 있는 은하다.

1 . 개요 [ 편집 ]Hubble Ultra Deep Field , HUDF

허블우주망원경이 촬영한 가장 유명한 사진 중 하나.

허블우주망원경이 2003년 9월 24일부터 2004년 1월 16일까지 800회에 걸쳐 노출시간 통산 약 100만초를 걸쳐 촬영한 4색 사진이다. 이후 2009년 3가지 색상을 추가 촬영해 자외선부터 근적외선까지 7가지 색으로 구성된 이미지가 완성됐다. 에리다누스자리와 화로자리 사이에 밝은 별이 거의 없는 공간을 선택해 촬영됐다.사진의 총면적이 보름달 넓이의 1/50밖에 되지 않는 매우 좁은 영역이다. 구글 스카이로 체감해보자. #

1.1. 허블 딥 필드 1995년, 어느 천문학자의 머리에서 엉뚱한 아이디어가 제시된 그 아이디어란 아무것도 없는 우주 공간을 찍어 보자는 것이다. 이 괴상한 발상을 한 사람은 당시 허블망원경의 책임자였던 로버트 윌리엄스(Robert Williams). 각도를 미세하게 조정하는 것만으로도 천문학적인 비용이 들기 때문에 한 번만 사용해도 신중한 결정을 요구하는 이 귀중한 물건으로, 성운도 아닌 아무것도 없는 캄캄한 장소를 바라보는 것은 엄청난 모험이자 낭비였다. 학자들은 쓸데없는 짓이라는 의견과 해볼 만하다는 의견이 맞섰다. 그 안을 낸 로버트는 처음에는 정말 미친 사람이라는 말을 들었다.

게다가 허블망원경은 가동 직후 발견된 광학적 문제를 수리하기 위해 돈 버는 하마로 전락해 당시 여론이 나빠질 정도로 악화된 상황이었다. 허블망원경 발사와 운용에는 10조원에 이르는 예산이 투입됐지만 수명 30년으로 계산하면 하루 사용량이 10억원에 이른다. 비싸도 비싸지만 전 세계 천문학자들이 앞 다퉈 한 번 써보고 싶은, 바로 낭만 그 자체인 이런 것을 무엇이 있는지도 모르는 빈 공간을 관측하는 데 열흘이나 투자하자고 제안한 것이다.

먼 우주를 찍으면 찍을수록 더 과거 우주의 모습을 관측할 수 있지만 먼 거리에 있는 은하는 그만큼 얇고 어둡기 때문에 오랜 시간을 두고 촬영해야 한다. 지상 망원경은 지구 대기의 방해에 의해 이렇게 깊은 관측에 적합하지 않았으므로 사실상 그런 모험을 할 수 있는 것은 우주 망원경의 허블이 적임이었다 어쨌든 계획은 받아들여져 1995년의 크리스마스 휴일 동안 허블은 큰곰자리의 별이 상대적으로 적은 한 지역을 집중적으로 관측하게 된다.

이때 허블망원경이 촬영한 지점의 면적은 지상에서 육안으로 관측할 수 있는 하늘 면적의 2400만분의 1, 즉 100m 떨어진 거리에서 바라본 테니스공 크기만큼의 면적이다. 참조

그렇게 모두가 이구동성으로 말한 이 프로젝트의 결과는…

존재하지 않는 이미지입니다.존재하지 않는 이미지입니다.허블 딥 필드 허블 딥 필드 사우스 [2]

한 괴짜의 발상에서 탄생한 이 한 장의 사진은 전 세계 천문학계를 뒤엎는 것이다.

그 결과 얻은 사진에는 약 3000개의 은하가 발견됐다. 텅 빈 공간으로 여겨졌던 곳 너머에도 은하가 많이 존재하는 것으로 밝혀지면서 학계는 큰 충격을 받았다. 단숨에 이 사진은 허블이 찍은 최고의 사진 중 하나로 유명해지면서 허블 딥 필드(HDFHubble Deep Field)라는 이름이 붙었다.

더욱이 이를 계기로 우주의 형태와 규모, 역사에 대한 인류의 시야가 비약적으로 넓어졌으며 이후 천문학자들은 허블을 통해 여러 심우주 영역의 촬영에 적극 나서게 됐다. 연구소는 1998년 한 차례 더 관측을 계획한 데 이어 이번에는 남반구의 거자자리 영역을 관측했다. 허블 딥 필드 사우스라고 명명된 이 관측에서도 역시 수천 개의 은하가 발견됐다. 이후 여러 차례 진행된 관측도 마찬가지였다. 우주의 빈 공간을 어디를 촬영해도 허블 딥필드처럼 그 좁은 점 안에 무수한 은하와 천체들이 가득 차 있었던 것이다. 천문학의 역사와 우주 연구 분야에서 매우 큰 업적이다.

1.2. 허블 울트라 딥 필드 [편집]허블 울트라 딥 필드는 허블 딥 필드의 후속 관측으로 계획된 허블 딥 필드에서 가장 오래된 은하는 약 120억 년 전의 것이었지만 우주가 탄생한 137억 년과는 달랐다 그러나 당시 허블 망원경은 적외선 대역의 감지기가 부실해 이보다 먼 거리의 천체를 관측하는 데는 한계가 있었다. 약 8년 후 여러 업그레이드를 거친 허블망원경은 새로 선정된 노자리 부근 영역을 약 3개월의 기간 동안 간헐적으로 관측했다. 총 2주간의 노출시간을 들여 얻은 사진에는 1만개가 넘는 은하가 관측됐으며 허블우주망원경은 역사상 가장 많은 은하를 단일사진으로 담은 망원경이 됐다.

1.3. 허블 익스트림 딥 필드 [편집] HXDF ( Hubble eXtreme Deep Field )

HXDF는 2012년 9월 25일 나사에서 공개한 HUDF의 새 버전으로 132억 년 전 은하를 포착했다. 이것은 빅뱅으로부터 불과 4억 5천만 년 후에 은하가 생성되었을 가능성을 시사한다.

HXDF는 HUDF가 촬영한 지역의 약 80%를 커버한다. 은하는 대략 5500개 정도 있다고 한다.

2. 의의[편집]허블 울트라 딥필드에서 발견된 은하는 우주 초기 은하 형성을 연구하는 데 중요한 연구 자료가 되었다. 측정된 크기는 은하계보다 훨씬 작으며 대부분 현재 우주계에서는 볼 수 없는 기형적인 구조로 되어 있었다. 이는 먼 거리일수록 도달한 빛 또한 옛날 것으로 이를 감안할 때 우주 탄생 초기에는 각 은하 간의 거리도 가까울수록 병합도 자주 이뤄져 폭발적인 별 탄생이 이루어졌음을 의미하며 이런 병합을 여러 차례 반복해 현재의 모습이 됐다는 계층적 합병 시나리오를 강력하게 지지하는 증거가 됐다.

현재까지 발견된 은하 중 가장 멀 것으로 추정되는 것도 이 사진을 찍은 영역에서 발견되고 있다. UDFj-39546284라는 은하인데 측광학적 적색편이 추정치는 11.9로 우주의 나이로 환산하면 3.7억 년에 해당한다. (거리는 327억 광년) 다만 공식적인 최원거리 천체가 아니라 공식적인 최원거리 천체로 인정받기 위해서는 분광학적 검증을 거쳐야 한다. 현재 UDFj-39546284는 분광학적 적색편이 검증되지 않았으며 앞으로 제임스웹우주망원경(JWST)의 성공적인 발사와 임무 개시가 이뤄지면 검증이 될 것으로 예상된다. 실시등급은 29등급으로 밝기가 인간이 볼 수 있는 가장 어두운 별의 15억분의 1밖에 되지 않는다. 약 13,000km 지점에 있는 반딧불이를 포착한 것과 비슷하다.(공식적인 최원거리 은하는 큰곰자리에 있는 GN-z11이고 적색변은 11.09(320억 광년)이다.

존재하지 않는 이미지입니다.허블 울트라 딥필드가 커버하는 면적은 2.42.4각 분량으로 보름달의 50분의 1, 천구 전체의 2500만분의 1밖에 안 되는 매우 좁은 영역이다.

중요한 점은 허블 울트라 딥 필드를 제외하고도 천구상의 어느 지점을 확대해도 이렇게 많은 은하를 발견할 수 있다는 점이다. 팔을 끝까지 쭉 뻗어서 작은 손가락으로 하늘을 가리면 그 손톱 넓이의 1% 정도가 허블 울트라 딥필드 사진의 영역이라고 보면 된다. 이 사진만으로도 은하가 최소 1만 개 발견됨에 따라 관측 가능한 우주에 존재하는 최소한의 은하수를 2500만x1만=약 2500억 개 이상으로 추산할 수 있다. 은하 하나 안에 있는 별의 수만큼 많은 은하가 우주에 펼쳐져 있었던 것이다.

2021년 12월 발사된 제임스 웹 우주망원경이 울트라 딥필드를 뛰어넘는 관측을 할 것이라는 전망이 많다. 제임스 웹은 허블 망원경보다 고성능으로 심우주 관측에 최적화된 망원경이므로 ‘최초에 가까운 은하’를 보다 높은 해상도로 포착할 수 있을지도 모른다. 불과 90년대에 발사한 망원경이 이만한 성과를 냈으니 21세기 과학기술의 집약체인 후속 망원경에 대한 기대는 그만큼 높아질 수밖에 없다. 보다 좁은 영역에서 보다 많은 은하가 있는 것을 촬영으로 확인할 수 있으면, 인류가 예측할 수 있는 「우주에 존재하는 은하의 수」는 단위가 바뀔 수 있다.

3. 관련 문서 [편집] 허블 우주 망원경 원시 은하

[1] 1993년1998년 우주망원경연구소(STScI) 책임자를 지냈다.허블 딥 필드로부터 3년 후인 1998년, 같은 방식으로 천구의 남쪽을 원한다.

NASA 제공

2002년 5월 4일에 촬영한 ‘고양이 눈 성운(NGC 6543)’, 2006년 3월 23일에 촬영한 M81 왜소은하 ‘홀름버그 IX’, 2009년 12월 22일에 촬영한 왜소은하 ‘NGC 4214’….

1990년 4월 24일 미국 우주왕복선 디스커버리를 타고 우주로 발사된 허블 우주망원경은 지금까지 140만 장의 천체사진을 지구로 보냈다. 천문학자들은 이 데이터로 1만7000편이 넘는 논문을 발표했다. 올해로 30주년을 맞은 허블우주망원경은 인류에게 우주의 현재를 보여준 눈이자 우주의 과거로 가는 타임머신이기도 했다.

●허블

인간은 오감으로 자기 주위의 우주를 탐험한다. 우리는 이 모험을 과학이라고 부른다.”-에드윈 허블

미국 천문학자 에드윈 허블이 일하던 미국 윌슨 산 천문대(위). 허블은 이곳 구경 2.5m 후커 망원경으로 천체를 관측했다. 위키미디어 제공

지난 30년간 우주에서 활약해 인류탐험의 역사를 상징하게 된 허블우주망원경. 허블이라는 이름은 미국의 천문학자 에드윈 허블로부터 따왔다. 수많은 천문학자 중에서도 허블의 이름을 붙인 이유는 허블이 인류의 우주관을 뒤엎을 만큼 큰 업적을 세우고 이를 기리기 위해서이다.

허블이 활동하던 1920년대 천문학계는 우주가 정지된 상태라고 보았다. 외부 은하 개념도 없었다. 이 때문에 현대의 대표적인 외부 은하로 알려진 안드로메다를 당시에는 성운으로 여겼다.

1923년 미국 캘리포니아 주 윌슨 산의 천문대에서 일하던 허블 씨는 구경 2.5m 후커 망원경으로 안드로메다를 관측하던 중 세페이드 변광성(시간 흐름에 따라 밝기가 바뀌는 별)을 발견했다. 허블은 변광성을 바탕으로 거리를 측정해 약 90만 광년 떨어져 있다고 결론지었다(후일 250만 광년으로 밝혀졌다). 이는 은하계의 크기에 비해 너무 먼 거리였다. 이 사실은 안드로메다가 성운이 아닌 외부 은하라는 결론으로 이어졌다.

이렇게 외부 은하의 존재를 밝혀내면서 허블은 일약 천문학계의 스타가 됐다. 그러나 허블 연구는 멈추지 않고 계속됐다. 외부 은하의 존재를 밝힌 지 채 10년도 지나지 않은 1929년 허블은 은하가 일정한 속도로 멀어지고 있다는 증거를 발견했다.

은하의 분광을 연구한 허블은 은하 스펙트럼에서 적색 이동을 분석했다. 허블은 실제로 은하가 스스로 멀어지는 것이 아니라 우주가 팽창하고 있어 은하가 도망치듯 관측돼 멀리 있는 은하일수록 적색 이동이 심하다는 것을 확인했다. 그 결과 우주는 팽창하고 멀리 있을수록 빠르게 팽창한다는 팽창우주론을 주장했다.

허블의 발견은 이후의 천문학자뿐 아니라 많은 과학자의 연구에 도움이 됐다. 이런 허블의 업적을 기리기 위해 우주망원경에는 허블의 이름이 붙었다. 1990년 4월 24일 우주를 향해 출발한 허블우주망원경은 30년간 140만 건이 넘는 관측 활동을 했다. 전 세계 천문학자들은 허블 관측 데이터로 1만7000편 이상의 논문을 발표했다.

● 허블 울트라 딥 필드

허블우주망원경이 2003년 9월 24일부터 2004년 1월 16일까지 찍은 사진을 합친 ‘허블 울트라 딥필드’ 이미지다. 약 1만개의 은하가 찍혀 있었다. NASA 제공

허블우주망원경이 우주로 간 뒤 이를 이용해 인류는 더 먼 우주를 이미지로 볼 수 있게 됐다. ‘허블 딥 필드’, ‘허블 울트라 딥 필드’, 그리고 ‘허블 익스트림 딥 필드’가 대표적이다. 이들은 모두 허블우주망원경이 포착한 천체 사진들이다.

허블우주망원경이 성운, 초신성, 은하 등의 이미지를 촬영한 뒤 지구로 전송하면 천문학자들은 여기에 색을 입히는 보정 과정을 거친다. 망원경이 촬영한 이미지로 인간의 눈에 보이지 않는 색 정보를 추가적으로 주는 것이다.

1995년 12월 18일부터 28일까지 열흘간의 천문학자들은 허블 우주망원경이 텅 빈 하늘 한 곳만 바라보게 했다. 75피트(약 22.86m)의 거리에서 봤을 때 10센트짜리 동전(약 18mm) 정도의, 우주에서는 한 점에 지나지 않는 극도로 작은 영역이었다. 당시 많은 과학자들은 이렇게 긴 노출이 학문적으로 가치가 있는지에 대해 회의적이었다.

하지만 결과로 얻은 이미지는 놀라웠다. 허블우주망원경에 설치된 카메라(WFPC2)가 10일 연속 촬영한 342장의 이미지를 하나에 담은 사진 한 장에 각각 진화단계가 다른 최소 1500개의 은하가 나타났다.

미 항공우주국(NASA)은 ‘허블 딥필드’로 불리는 이 사진을 공개해 1969년 인류 최초로 달을 밟은 닐 암스트롱의 명언을 본떠 ‘우주에서는 하나의 작은 영역이지만 우주의 과거를 향한 위대한 도약(One peek into a small part of the sky.

2003년 9월 24일부터 2004년 1월 16일까지 허블우주망원경은 화로자리(Fornax)로 카메라를 돌려 은하가 활발하게 생성되거나 은하끼리 통합되는 초기우주(빅뱅 이후 4억~8억년)를 촬영하여 ‘허블 울트라 딥필드’ 이미지를 만들었다. 이 사진에는 약 1만 개의 은하가 포함되어 있다. 이 영역은 우주 전체 면적의 1300만분의 1에 불과하기 때문에 이를 들여다보는 것은 좁은 열쇠구멍 속을 들여다보는 것과 비슷하다. 이 사진을 찍기 위해 허블우주망원경은 지구를 400회 공전하면서 800회 영상을 촬영했다.

● 빅뱅 Big bang

빅뱅 이후 시간이 지남에 따라 우주가 팽창하는 과정을 그린 그림(왼쪽). 2016년 국제공동연구팀이 허블우주망원경으로 관측한 은하 GN-z 11은 초기 우주인 빅뱅 이후 4억 년 만에 생긴 은하다. NASA 제공

허블망원경이 지난 30년간 더 깊은 우주를 관측한 덕분에 천문학자들은 우주 탄생의 비밀에 한발씩 다가서고 있다. 그래서 허블우주망원경이 축적한 자료는 한국 우주의 살아있는 역사서로 불리기도 한다.

지금까지 허블망원경은 우주에서 희귀한 천체를 찾거나 초기 우주에 생성된 은하를 포착했다. 이 같은 결과는 에드윈 허블의 팽창우주론을 뒷받침하는 증거가 됐다.

팽창우주론은 우주가 약 138억 년 전에 대폭발, 즉 빅 뱅(Big Bang)을 일으켰고 이후 현재도 팽창을 계속하고 있다는 이론이다. 태초에 모든 것이 한 점에 모여 있다가 그 점에서 계속 팽창해 지금의 우주가 됐다는 것이다.

일례로 1998년 애덤 리스 당시 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 연구원 등의 공동 연구팀은 허블 우주망원경으로 거대한 별이 죽었을 때 엄청난 빛을 내는 초신성 현상을 관찰했다. 그 후 은하에서 멀리 떨어져 있는 초신성이 더 빨리 멀어지는 것을 확인했다. 이는 팽창우주론의 결정적인 증거가 되었다. doi : 10 . 1086 / 300499

2016년에는 미국 예일대 등 국제 공동 연구팀이 허블 우주 망원경으로 빅뱅 후 불과 4억 년 이내에 생긴 은하를 관측했다. 큰곰자리 방향에 있는 134억 년전의 GN-z11로, 이것 또한 우주 팽창의 증거가 되는 은하이다. doi : 10 . 3847 / 0004 – 637X / 819 / 2 / 129

● 블랙홀 Black hole

은하 중심에서 주변 물질을 흡수하는 블랙홀과 페이서를 나타낸 상상도. NASA 제공

2014년 개봉한 영화 인터스텔라에서 주인공은 우주선을 타고 블랙홀 안으로 들어간다. 그 후 과거로 신호를 보내고 다시 블랙홀을 빠져나가는 장면은 지금도 영화의 명장면으로 꼽힌다. 블랙홀은 천문학자뿐 아니라 대중에게도 흥미로운 소재다. 알려진 정보가 많지 않아 영화와 달리 한번 빠지면 다시는 나오지 않는다는 두려움(?)이 신비로운 매력을 더했는지도 모른다.

실제로 블랙홀은 부피는 0이지만 엄청난 질량이 한데 모여 무서운 중력을 가진 죽은 별이다. 중력이 매우 강해 모든 물질을 들이마신다. 심지어 빛마저 들이마시면서 블랙홀은 눈에도 보이지 않는다. 이런 블랙홀에는 물질과 빛이 안으로만 들어와 밖으로 탈출할 수 없는 경계인 ‘사건의 지평선(eventhorizon)’이 있다. 사건의 지평선 안쪽에서 일어난 정보는 외부로 알려지지 않는다.

블랙홀의 존재에 대해 이론적 가능성만 제기된 1992년 허블 우주망원경은 강력한 거대 블랙홀 후보로 거론되던 은하 M87 중심부를 관측하는 데 성공했다. M87에서는 지금까지 알려지지 않은 가스 원반이 발견됐지만 가스 원반은 초속 750km로 회전하고 있었다. 또 원반의 중심에 태양의 20억30억 배에 달하는 큰 질량이 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 블랙홀의 존재가 확인되는 순간이었다. 1998년에는 M87에서 나온 제트를 촬영했다. 이 제트는 블랙홀에서 분출되는 물질이다.

2017년에는 두 개의 블랙홀이 합쳐져 만들어진 초대질량 블랙홀이 은하 중심에서 튀어나오는 현상을 허블우주망원경과 찬드라 X선 우주망원경이 함께 관측했다.

아울러 2019년에는 허블우주망원경으로 천문사상 가장 밝은 퀘이서(Quasar)도 찾아냈다. 퀘이사는 블랙홀이 주변 물질을 흡수하는 에너지로 형성되는 거대한 발광체로 그 중심에 무거운 블랙홀이 자리 잡고 있다. 발견된 페이서의 정식 명칭은 ‘J043947.08+163415.7’이다. 밝기는 태양의 600조 배다.

●법칙 Law

허블우주망원경이 촬영한 딸자리 은하단(오른쪽). 이로써 허블 상수의 오차 범위가 10%로 줄었다. NASA 제공

우주의 나이와 크기를 결정하는 하나는 허블 상수다. 천문학자들에게 가장 정확하게 측정된 허블 상수 값은 늘 관심거리다. 허블 상수는 우주의 팽창 속도를 나타내는 수치로 그 역수는 우주의 나이에 비례한다. 그래서 허블 상수를 정확히 알면 우주의 나이도 정확히 알 수 있다.

에드윈 허블은 은하의 분광을 연구하면서 은하의 스펙트럼에서 적색이동 현상을 분석했다.

허블은 은하가 은하로부터 점차 멀어져, 보다 먼 은하일수록 적색 이동이 격렬한 것에 주목해, 가까운 은하는 몇 개를 제외하고 모든 은하는 은하로부터 멀어지고 있어 은하가 멀어지는 속도(V)와 그 은하까지의 거리(r)는 「V=Hr」라고 하는 비례 관계가 성립한다고 하는 「허블의 법칙」을 발표한 여기서 비례 정수(H)가 허블 정수이다.

2018년 10월 국제천문연맹(IAU)은 조르주 르메르가 에드윈 허블에 앞서 우주팽창에 대한 수학적 증거를 제시했다는 점을 인정하고 허블의 법칙을 허블 르미터의 법칙이라고 부르기로 결정했다.

허블우주망원경의 업적 중 하나는 허블 상수를 정확히 얻은 것이다. 허블우주망원경 발사 전 허블상수의 오차범위는 무려 50%였다. 우주의 나이가 100억 년이 되거나 200억 년이 될 수 있다는 뜻이다.

허블우주망원경이 처녀자리 은하단을 관측한 결과를 토대로 천문학자들이 구한 허블상수 값의 오차범위를 10%로 대폭 줄였다. 이 자료에서 계산한 우주의 나이는 80억120억 년이었다.

허블 상수는 지금도 더 정확한 값이 등장할 때마다 바뀐다. 천문학자들은 여전히 정확한 허블 상수를 구하기 위한 연구를 수행하고 있다. 2020년 4월 기준, 가장 최근 측정된 값은 2019년 3월 앨럼 리스 미국 존스홉킨스대학 연구팀이 발표한 값이다. 종래 우주에서 추정한 값인 67.4 km/s·Mpc(메가파섹·1 Mpc는 천문학적 거리 단위로 약 326만 광년)보다 약 9% 높은 측정치로 약 74.03 km/s·Mpc이다.

● 오류

허블망원경의 첫 관측 이미지는 초점이 맞지 않아 논란이 됐다(오른쪽 위). NASA는 총 다섯 차례의 우주왕복선을 발사해 허블우주망원경을 수리했다. 오른쪽 하단은 수리 후 동일한 구역을 촬영한 사진이다. NASA/ESA 제공

인류 역사에 혁혁한 공을 세운 영웅에게 고난과 역경은 필수 코스일까. 수십 년간 우주탐사의 아이콘으로 불려온 허블우주망원경도 지금까지 여러 차례 치명적인 오류를 범했다. 1990년 4월 24일 많은 사람의 기대를 모았던 허블우주망원경이 마침내 지구 대기권을 벗어나 목표궤도에 진입했다. 곧이어 허블망원경의 첫 관측 영상이 지상으로 전송됐지만 환상적인 천체 이미지가 아니라 흐릿하고 흐릿한 이미지였다.

우주망원경은 지상 망원경과 달리 지구 대기의 영향을 받지 않는 우주에서 선명한 사진을 찍기 위해 설계된 장비다. 하지만 지상망원경의 결과와 크게 다르지 않았기 때문에 실망하지 않을 수 없었다.

전문가들은 망원경인 거울(렌즈)에 문제가 있을 가능성을 제기했다. 발사 두 달여 뒤인 6월 21일 NASA는 허블우주망원경의 기술적 오류를 인정했다. 조사결과 직경 2.4m인 주경 가장자리가 2.2m(마이크로미터1m는 100만분의 1m) 평평하게 설계된 것으로 밝혀졌다. 머리카락 두께의 50분의 1에 미세한 결함이었다. 하지만 이 작은 실수를 고치는 데 3년이 걸렸다.

우주 공간에서의 거울 교체는 불가능했다. 망원경을 지구로 다시 가지고 와서 수리하는 것도 시간과 비용 부담이 컸다. 그래서 망원경의 결함과 정확히 같은 값을 갖는 오차를 거꾸로 일으켜 구면수차를 고치는 새로운 광학부품을 제작해 망원경에 추가하기로 했다. 구면 수차는 렌즈 바깥쪽에서 더 강하게 굴절이 일어났을 때 발생한다.

1993년 12월 2일 미국 우주왕복선 엔데버호는 허블우주망원경 수리를 위해 우주인 7명을 태우고 국제우주정거장(ISS)으로 향했다. 이후에도 NASA는 천문학적인 비용과 노력으로 허블우주망원경을 보수해 운영하고 있다. 지금까지 우주왕복선만 1993년, 1997년, 1999년, 2002년, 2009년 등 다섯 차례나 보냈으며 여기에 투입된 우주인만 30명이 넘는다. 외계인이 허블 우주망원경을 수리하는 모습은 화제가 되기도 했다.

그 덕분인지 당초 15년간 임무를 수행할 계획이었던 허블우주망원경은 심각한 온도 변화와 강력한 우주선이 쏟아지는 우주 공간에서 30년째 활동하고 있다.

긴 임무를 종료할 가능성이 제기되고 있지만 퇴역 시기는 정해지지 않았다. 허블우주망원경과 함께 대형 우주망원경 4기 중 하나로 활동했던 적외선 망원경 스피처 우주망원경은 올해 1월 30일 16년간의 임무를 마치고 퇴역했다.

※ 관련 기사 과학 동아 5월호 Intro. 스페이스 타임 머신, 우주 망원경 Part1., 허블 우주 망원경 | 우주를 통한 30 년의 대기록 Infographic. 한눈에 보는 역대 우주 망원경 Part2. 제임스 웹 우주 망원경 | 빅뱅 직후 과거로의 항해 Part3. 지상의 망원경 | 더 큰 것처럼 자세히 보고 있는 Part4. 스피어 x | 우주 전체를 찾는 역대 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 우주 “Internew “Internew” | 빅뱅 직후 “Interviview “Internew “Interlancancan

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우주인 : 138억 년 전 첫 별 관측을 위해 제임스 웹 우주 망원경, 날아오르다~! [문화일보] 게재 일시 : 2021년 12월 24일 (금)

▲허블 망원경으로 확보한 중간 질량 블랙홀(IMBH)의 존재 가능성과 천문학계의 주장을 바탕으로 만들어진 이미지. 블랙홀로 빨려들어온 별의 잔해가 원반 모양을 하고 있다. 미국 애리조나주에 있는 국립천문광학관측소(NOAO)는 1992년 2월 11일 허블우주망원경을 통해 블랙홀에 관한 최초의 증거를 찍는 데 성공했다. 출처=나사(NASA)

NASA 허블 후계자 내일 발사

지구 150만㎞ 거리에서 성운 속을 뚫고 더 깊은 은하 관측→우주 생명체 존재 가능성도 탐색→우주 과거·미래를 보는 창인 셈이다.

●허블의 최대 성과는 ‘블랙홀 관측’

138억 년 전 우주의 탄생과 외계 생명체의 신비를 밝혀줄 사상 최대 우주망원경 제임스 웹이 성탄절인 25일 마침내 하늘로 날아오른다. 1세대 우주망원경으로서 많은 업적을 남기고 곧 은퇴할 허블망원경보다 더 획기적이고 과학적인 발견이 쏟아질 것으로 기대된다.

24일 미국 항공우주국(NASA)과 외신에 따르면 제임스 웹 우주망원경을 실은 아리안 5 로켓이 여러 차례 발사 연기 끝에 마침내 25일 오후 9시 20분(현지 시간 오전 9시 20분) 남미 프랑스령 기아나 우주센터에서 발사될 예정이다. 1990년 4월 25일 발사돼 지구 주위를 30년 이상 돌면서 우주 나이와 블랙홀 관측 등 중요한 임무를 수행해온 허블망원경을 연결하는 차세대 우주망원경이다. 제임스 웹은 발사 후 약 30일간 항해를 계속해 지구에서 150만㎞ 떨어진 심우주에 도착해 우주 탄생 후 첫 별이 탄생하는 순간과 우주에 생명이 존재하는지 등을 탐색할 전망이다.

제임스 웹이 작동하는 위치는 L2라고 부르는 곳이다. 태양과 지구 사이에 중력의 평형을 이루는 다섯 개의 위치를 부르는 라그랑주점 중 하나다. 이 중 태양, 지구와 일직선을 연결했을 때 지구 바깥쪽에 있는 두 번째 라그랑주점을 L2라고 한다. 라그랑주 L2 지점은 대개 지구와 달 사이 거리의 4배에 이르는 먼 곳이다. 제임스 웹은 L2를 중심으로 태양을 등진 채 지구와 같은 공전주기로 움직여 우주를 관측하게 된다. NASA 2대 국장 제임스 에드윈 웹의 이름을 딴 새 우주망원경은 허블 우주망원경보다 무게는 절반(6.2t)이지만 빛을 모으는 반사경의 지름은 6.5m로 허블(2.4m)의 2.5배에 이르는 역대 최대 규모다. 허블이 지구 상공 559km 궤도를 96분마다 한 바퀴 돌면서 사람 눈처럼 가시광선을 관측하는 광학 우주망원경이었다면 제임스 웹은 별이 탄생하는 성운 속을 뚫고 더 깊은 우주를 볼 수 있는 적외선 우주망원경이다. 138억 년 전 우주의 탄생(빅뱅) 이후 태어난 첫 별과 은하까지 관찰할 수 있다. 자외선 분광기로 먼 외계 행성의 대기를 분석해 생물의 존재 가능성도 파악할 수 있다. 한마디로 우주의 과거와 미래를 한꺼번에 보는 창인 셈이다. 1996년부터 만들기 시작해 약 100억달러(11조8000억원)의 제작비가 투입됐다.

선배 격인 허블망원경은 2028년부터 2040년 사이에 대기권에 재진입해 운명을 마칠 것으로 예측된다. 지난 30년간 △블랙홀 관측(1992년 은하 M87 중심부 관측) △우주 연령(138억 년) 확인 △’허블 딥 필드'(1995년 2000개 이상의 은하 관측) △’허블 울트라 딥 필드'(2003~2004년, 우주 초기에 갓 태어난 1만 개의 은하 관측) 등의 과학적 성취를 이뤘다. 한국천문연구원 양유진 박사는 허블은 여러 차례 고장 나면서 노후화됐지만 허블 상수 측정, 우주의 가속팽창(암흑에너지) 발견, 최초의 심우주 관측 등 많은 업적을 이뤄냈으며 완전히 수명이 다할 때까지 천문학자와 인류의 눈이 될 것이라고 말했다. 양 박사는 “다음 주자 제임스 웹도 크게 4가지 중요한 임무를 갖고 있는데 우주 초기 은하, 은하의 생성과 진화, 별의 탄생, 외계 행성 연구가 그것”이라며 “허블 망원경보다 더 긴 파장을 볼 수 있기 때문에 더 멀리, 즉 더 과거의 우주를 볼 수 있다는 점이 가장 기대된다”고 말했다.

노 성 열 기자 [email protected]

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제임스 웹 우주 망원경 발사 생중계 25년 기다린 11조원 우주 망원경 – [끝까지 LIVE] MBC 중계 방송 2021년 12월 25일 조회수 454, 204회 실시간 스트리밍 개시일 : 2021.12.25

2021년 12월 25일 크리스마스와 한국시간으로 밤 9시 20분에 우주의 새로운 역사를 기록하는 ‘제임스웹’ 우주망원경이 발사됩니다. 허블 우주망원경의 뒤를 잇는 제임스 웹 우주망원경의 최초 계획은 1996년 시작돼 2007년 발사가 목표이고, 개시 25년 만에 당초 목표보다 14년 늦게 발사될 것입니다. 2011년에는 심각한 예산 초과로 계획이 취소될 뻔 했으나 천문학계, 언론계, 일부 의원의 노력으로 위기를 모면하기도 해 전체 예산은 약 10조원으로 10조원이 넘는 금액이 필요했습니다. 제임스 웹 우주 망원경은, 18개의 육각형의 거울로 이루어진 직경 6.5미터의 거울(주경)을 가지고(허블 우주 망원경은 직경 2.4미터), 거울은 금으로 코팅된 베릴륨으로 만들어졌습니다. 광학계를 조정할 수 있는 126개의 모터도 장착되어 있으며 카메라와 분광기로 구성된 4개의 관측 장비로 우주를 관측할 예정입니다. 제임스 웹 우주 망원경은 최초의 별과 은하 관측, 은하의 형성과 진화 연구, 별과 행성계의 형성 연구, 행성계와 생명의 기원 연구 등을 수행할 예정입니다. * 영상 및 자료제공 : 국립과천과학관 * 본 LIVE 방송은 발사 생중계가 끝날 때까지 계속됩니다.

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