인류의 새로운 눈이 되어 줄 제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? 제임스 웹 우주망원경의 발사부터 현재까지 진행된 사항들을 종합하고 앞으로 예정된 계획을 정리해본다.
제임스 웹 우주 망원경의 시운전이 진행 중이다
미국 동부 표준시(EST)로 2022년 5월 5일, 미 항공 우주국(NASA)의 커뮤니케이션 담당자 타데우스 케사리(Thaddeus Cesari)는 제임스 웹 우주 망원경(JWST: James Webb Space Telescope) 팀이 JWST 우주 망원경의 열 안정성 테스트를 성공적으로 수행하고 있음을 밝혔다. 한편 4가지 과학 장비의 시운전(commissioning) 역시 성공적으로 수행 중임을 밝혔다. 시운전은 총 17가지로 이루어져 있으며 17가지의 시운전이 모두 성공적으로 수행된다면, JWST는 오랜 기다림 끝에 공식적인 첫 관측을 시작하게 된다. 참고로 미 항공 우주국에 따르면 시운전은 1~2개월 진행될 전망이다.
2022년 5월 현재 JWST의 시운전이 진행 중이다 © JWST/NASA/ESA
총 17가지 시운전은 크게 4가지 과학 장비별로 구분된다. 예를 들어서, 근적외선 카메라(NIRCam)엔 총 5가지의 시운전이 계획되어 있으며, 나머지 장비들인 근적외선 분광기(NIRSpec), 근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(NIRISS/FGS), 중적외선 기기(MIRI) 기기엔 각각 4가지의 시운전이 계획되어 있다.
2022년 5월 현재 JWST의 시운전이 진행중이다. 시운전은 반드시 위 도표의 순서대로 진행되지는 않는다. 참고로 5월 20일 현재까지 완료된 시운전은 아직 없는 것으로 알려졌다. © JWST/NASA/ESA
몇몇 시운전은 각각의 관찰과 분석을 통해서 제대로 작동되고 있는지에 관해서 최종 확인이 가능하지만, 일부 시운전의 경우처럼 모든 시운전이 끝나야만 확인이 가능한 경우도 존재한다. 또한 모든 시운전이 반드시 도표의 순서대로 진행되지는 않는다.
근적외선 카메라(NIRCam)의 시운전
NIRCam 기기 © JWST/NASA/ESA
1번째 시운전 – NIRCam의 이미징 테스트: 근적외선 카메라의 이미징은 가시광선에서 근적외선, 즉 0.6 ~ 5.0μm의 파장 일부를 이용하여 촬영한다. 위 카메라는 허블 망원경의 Hubble Ultra-Deep Field 촬영과 비슷하게 은하, 별 형성 지역, 우리 태양계의 행성 등에 이르기까지 JWST의 거의 모든 촬영에 이용될 예정이다.
2번째 시운전 – NIRCam 광시야 슬릿리스 분광기 (wide field slitless spectroscopy) 테스트: 슬릿이 없는 분광기(slitless spectroscopy: 슬릿없이 수행되는 분광기법을 이용한 분광기로 작은 영역의 빛만 회절이 가능)는 전체 기기 시야에 빛을 분산시킬 수 있다. NIRCam의 슬릿리스 분광기는 원래 망원경을 정렬하는 데 사용되는 엔지니어링 모드에 포함되어 있었지만, JWST의 과학자들은 위 기기 역시 먼 퀘이사의 관측과 같은 과학적 관측에 이용될 수 있다는 것을 깨달은 후 시운전에 포함시켰다.
3번째 시운전 – NIRCam 코로나 그래피(coronagraphy) 테스트: 별 주위에 외계행성이나 먼지 원반(debris disks)이 있는 경우, 행성이나 원반의 먼지보다 훨씬 더 밝은 별빛을 차단한다면 훨씬 더 효과적인 관측을 수행할 수 있다. NIRCam의 코로나 그래피는 원 모양의 검은 디스크를 사용하여 별빛을 차단한다.
4번째 시운전 – NIRCam time series 촬영 부분 관찰 테스트: 대부분의 천체는 인간의 일생이나 관측의 시간에 비해 훨씬 오랜 시간을 두고 진화하지만, 중성자 별 같이 짧은 시간의 진화를 보여주는 천체들도 있다. 이러한 time series 변화를 연구하기 위해서 기기의 검출기가 얼마나 빠르게 반응하는지 등에 관한 테스트를 진행한다.
5번째 시운전 – NIRCam time series 그리즘 테스트: 그리즘(Grism: 프리즘과 회절격자를 결합한 광학도구)은 파면 감지(wavefront sensing)를 위해서 NIRCam에 삽입되었다. 외계행성이 모항성을 지나갈 때 별빛이 행성의 대기를 통과한다면 그리즘을 이용하여 대기의 구성 요소를 알 수 있다.
근적외선 분광기(NIRSpec)의 시운전
NIRSpec 기기 © JWST/NASA/ESA/Astrium
1번째 시운전 – NIRSpec 다중 물체 분광기 (multi-object spectroscopy) 테스트: NIRSpec에는 25만 개의 제어 가능한 마이크로 셔터 장치가 존재한다. 흥미로운 천체를 발견했을 시에 셔터를 열게 되면 한 번에 최대 100개의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 참고로 슬릿이 없는 분광기는 시야에 있는 모든 물체의 스펙트럼을 얻을 수 있지만, 여러 물체의 스펙트럼이 서로 겹칠 수 있다는 단점이 존재한다.
2번째 시운전- NIRSpec 고정 슬릿 분광기 (fixed slit spectroscopy) 테스트: NIRSpec에는 개별 표적 분광기에 대해 최대 감도를 제공하는 여러 개의 고정 슬릿 분광기가 존재한다. 이들은 주로 킬로노바(kilonova)로 알려진 중력파 소스의 빛 감지에 이용될 전망이다.
3번째 시운전 – NIRSpec 통합 필드 단위 분광기 (integral field unit spectroscopy) 테스트:위 분광기를 이용하면 단일 표적 대신 작은 영역의 모든 픽셀에 걸쳐 총 900개의 공간요소(spatial element)나 스펙트럼 요소(spectral element)에 대한 스펙트럼을 얻을 수 있다. 위 모드는 주로 중력 렌즈 효과를 통한 먼 은하 관측 등에 이용되며 단일 표적에 대해서 가장 완전한 데이터를 제공해줄 전망이다.
4번째 시운전 – NIRSpec 밝은 물체 time series 테스트: NIRSpec 역시 NIRCam기기처럼, 모항성을 통과하는 외계행성이나 시간에 따라서 빠르게 진화하는 천체들에 관해서 분광 관측이 가능하다.
근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(NIRISS/FGS)의 시운전
NIRISS는 FGS 기기, 참고로 NIRISS는 FGS과 함께 장착되어 있으며 하나의 과학 장비이다. © JWST/NASA/ESA
1번째 시운전 – NIRISS의 단일 물체 슬릿리스 분광기 테스트: 위 모드는 암석형 행성으로 간주되고 있는 TRAPPIST-1b나 1c와 같은 밝은 별 주변 행성을 관찰하기 위해서 이용될 예정이다.
2번째 시운전 – NIRISS 광시야 슬릿리스 분광기 테스트: NIRISS 역시 슬릿 없는 분광기가 포함되어 있다. 위기기와 모드를 통하여 활발한 별 형성 은하 등이 관측될 것으로 기대된다.
3번째 시운전 – NIRISS 조리개 마스킹 간섭계 (aperture masking interferometry) 테스트: NIRISS는 조리개 마스킹 간섭계를 이용하여 18개의 기본 미러 세그먼트 중 11개의 빛을 차단할 수 있다. 위 모드는 밝은 소스 옆에 있는 희미한 소스를 촬영하는 데 적합하며 항성풍이 충돌하는 쌍성과 같이 고대비 이미징(high-contrast imaging) 관측에 유용하다.
4번째 시운전 – NIRISS 이미징 테스트: NRISS는 기본적으로 NIRCam 이미징의 백업 기능을 할 수 있다. 위 모드는 다른 장비가 동시에 다른 관측을 수행하는 동안 사용되므로 테스트가 반드시 필수적이다.
중적외선 기기(MIRI) 의 시운전
MIRI 기기 © JWST/NASA/ESA
1번째 시운전 – MIRI 이미징 테스트: NIRCam과 MIRI는 서로 비슷한 기능을 가지고 있지만 관측 파장이 다르다. NIRCam은 가시광선과 근적외선을 이용하는 반면, MIRI의 이미징 모드는 5 ~ 27 μm의 중적외선 파장을 이용한다. 중적외선 파장을 이용하면 우리은하와 다른 은하의 별 형성 지역에서 먼지 및 차가운 가스의 분포를 볼 수 있을 것으로 기대된다.
JWST 기기별 파장 비교 © JWST/NASA/ESA
2번째 시운전 – MIRI 저해상도 분광기 테스트: MIRI는 저해상도 분광기 모드가 존재하는데 중간 분해능 분광기 모드보다 더 희미한 광원을 연구할 수 있다. 5 ~12μm의 파장을 이용하며 명왕성의 위성인 카론과 같은 천체의 표면 등을 연구하는 데에 이용될 전망이다.
3번째 시운전 – MIRI 중간 분해능 분광기 테스트: 5 ~ 28.5μm 파장을 이용하여 중적외선 파장 범위에서 통합 필드 분광 기능을 수행할 수 있다. 위 모드를 통하여 행성이 형성되고 있는 원반의 분자나 먼지의 방출이 매우 강한 스펙트럼 신호를 관측할 수 있을 것으로 기대된다.
4번째 시운전 – MIRI 코로나그래피 테스트: MIRI에는 두 가지 유형의 코로나그래프가 탑재되어 있다. 이를 통하여 외행성들을 직접 감지하거나 항성 주위의 먼지 원반을 연구하는 데에 이용될 전망이다.
시운전에서의 첫 테스트 이미지가 공개되다
JWST에서 가장 차가운 기기인 MIRI는 5월 초 첫 테스트 이미지를 공개해서 화제가 되었다. JWST팀은 과거 적외선 미션들의 결과와 비교할 목적으로 MIRI를 이용(7.7μm 파장)한 대마젤란 성운(Large Magellanic Cloud) 일부 관측을 수행했다. 비교에 이용된 과거 적외선 미션은 Spitzer 미션(8μm 파장)이었다. 현재 은퇴한 망원경인 Spitzer는 NASA의 미션 중 하나로 적외선 및 중적외선 우주의 고해상도 이미지를 제공한 최초의 망원경이었다. 수많은 천문학자가 Spitzer 망원경의 데이터를 이용하며 그들의 연구에 이용했으며 현재 가장 성공한 망원경 중 하나로 손꼽히는 망원경이다.
같은 장소를 관측한 두 망원경의 관측 비교, 왼쪽: 스피처 망원경의 LMC 관측 (8μm 파장 관측), 오른쪽: 제임스 웹 망원경의 LMC 관측 (7.7μm 파장 관측) © NASA/JPL-Caltech (왼쪽), NASA/ESA/CSA/STScI (오른쪽)
JWST는 우리가 상상했던 결과보다 훨씬 더 좋은 성능을 보여주며 별과 성간 가스를 보여주어서 화제가 되었다. 기본적으로 JWST 망원경은 Spitzer 미션보다 훨씬 더 큰 주경을 가지고 있으며 매우 민감한 탐지기들을 탑재하고 있기에 적외선 하늘을 훨씬 더 선명하게 볼 수 있게 해주기 때문이다. 천문학자들은 이를 통해서 별과 원시 행성계 탄생에 대한 새로운 통찰력을 제공해주리라 기대를 모으고 있다.
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제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? (6) – Sciencetimes - Science Times
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