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우주 망원경은 어떻게 작동하나요? (허블과 웹) |
미국의 천체물리학자 라이만 스피처가 우주로 망원경을 올리자는 제안을 최초로 했다. 이는 대형 망원경 프로그램이란 이름으로 채택이 되었고, 최초로 허블 우주 망원경이 발사되었다.[2][3] 후에 스피처의 업적을 기념하는 의미에서 본인의 연구 분야인 적외선 관측 망원경에 스피처의 이름을 붙이게 된다.
초기 망원경들은 한 영역을 잡고 관측하거나 주 관측 대상 하나를 포착하고 관측하는 등의 망원경다운 일들을 주로 맡았지만 최근의 우주 망원경들은 주로 survey[4]를 하기 때문에 관측을 위해 몇 달을 기다리는 일이 없어졌다. 거기다 프로그램 몇 개만 이용하면 데이터 분석이 가능한 상태로 데이터가 공개되기 때문에 실력만 충분하다면 전공자가 아니라도 고급 자료를 이용해 연구를 진행하는 것이 가능하다.
이 분야의 선두주자는 단연 미국이다. 하지만 냉전 시기엔 소련도 이 분야에서 꽤나 힘을 썼었다. 대표적인 성과론 초신성 1987A의 폭발 장면과 핼리 혜성의 꼬리를 소련의 우주 망원경이 촬영했다. 하지만 소련 붕괴 이후 예산 삭감과 인력 부족으로 러시아는 단 한 기의 우주망원경도 운용하지 못하고 있는 상황이다.
초기 망원경들은 한 영역을 잡고 관측하거나 주 관측 대상 하나를 포착하고 관측하는 등의 망원경다운 일들을 주로 맡았지만 최근의 우주 망원경들은 주로 survey[4]를 하기 때문에 관측을 위해 몇 달을 기다리는 일이 없어졌다. 거기다 프로그램 몇 개만 이용하면 데이터 분석이 가능한 상태로 데이터가 공개되기 때문에 실력만 충분하다면 전공자가 아니라도 고급 자료를 이용해 연구를 진행하는 것이 가능하다.
이 분야의 선두주자는 단연 미국이다. 하지만 냉전 시기엔 소련도 이 분야에서 꽤나 힘을 썼었다. 대표적인 성과론 초신성 1987A의 폭발 장면과 핼리 혜성의 꼬리를 소련의 우주 망원경이 촬영했다. 하지만 소련 붕괴 이후 예산 삭감과 인력 부족으로 러시아는 단 한 기의 우주망원경도 운용하지 못하고 있는 상황이다.
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지상의 망원경 앞에는 지구 대기라는 방해물이 존재한다. 지구 대기에 의해 빛이 흡수, 산란, 재방출되기 때문. 그러나 우주에 떠 있는 우주 망원경은 대기에 의해 방해를 받을 일이 없다. 감마선이나 X선 같은 고에너지 천체를 관측하려면 반드시 우주 망원경으로 만들 수밖에 없다. 반대로 전파 망원경은 산란도 거의 없고 지상에 있는 편이 관측에 여러모로 유리하기 때문에[5] 마이크로웨이브보다 더 긴 전파 영역의 우주 망원경은 만들지 않는다. 마찬가지로 가시광의 경우엔 크기를 크게 만들어서 지구 상에 놓는 게 훨씬 값이 싸고 상의 차이가 거의 없어서 허블 이후로 가시광 망원경을 띄우는 경우는 잘 없다.[6]
지상 망원경의 경우 하루의 절반은 낮이므로 기본적으로 관측이 불가능하고, 밤이라고 하더라도 달의 존재로 인하여 또 대략 절반의 날짜에는 고품질의 관측을 수행하기 힘들다. 거기다가 구름이나 상층 대기의 상태에 따라 온전하게 관측 가능한 일수는 더더욱 줄어들게 된다.
그에 반해 우주 망원경은 사실상 태양이나 지구에 의해 가려지는 부분을 제외하면, 1년 내내 온 하늘을 관측할 수 있다. 지구의 낮과 밤, 날씨와 상관없이 경우에 따라서는 24시간 관측을 지속할 수 있다는 것도 비교할 수 없는 큰 장점이다.
그에 반해 우주 망원경은 사실상 태양이나 지구에 의해 가려지는 부분을 제외하면, 1년 내내 온 하늘을 관측할 수 있다. 지구의 낮과 밤, 날씨와 상관없이 경우에 따라서는 24시간 관측을 지속할 수 있다는 것도 비교할 수 없는 큰 장점이다.
우주로 띄워야 하다 보니 지상 망원경에 비해 자연히 그 가격이 폭발적으로 상승하게 되는데,[7] 어지간한 우주 망원경 한 대 값이면 지구상에서 최고의 품질을 자랑하는 W. M. Keck 천문대를 만들 수도 있다. 종류에 따라 차이가 있지만 가장 비싼 제임스 웹의 경우엔 현재 건설중인 거대 망원경(거대 마젤란 망원경과 E-ELT)을 열 대 정도 만들 수도 있는 어마어마한 가격을 자랑한다.
현재 발사 단가가 센 아틀라스 V는 지구 저궤도 (LEO) 까지 대충 kg당 1만 3천 달러, 아리안이 kg당 1만 달러, 싼 축에 속하는 팰컨 9 등은 kg당 5천 달러 선이다. 그러니 1톤 정도의 중형 우주 망원경을 쏘아 올리려면 발사비가 1천만 달러, 대형인 4톤급이라면 5천만 달러 정도로 상당히 비싸기는 하지만 우주망원경 전체 비용에 비하면 그리 비싸지 않다. 대충 1/10 정도의 비중을 차지한다고 보면 된다.
지상 망원경과 비교했을 때 가격 대비 효율은 굉장히 떨어지는 편이지만 위에서도 언급했듯 감마선과 X선은 이렇게 하지 않으면 연구 자체가 되질 않고, 마이크로웨이브도 일부 영역대는 대기 산란을 일으키기 때문에 역시 우주로 띄워야 한다. 그래서 이런 특정 영역의 망원경은 스폰서나 프로젝트 참가자들이 많아진다.
현재 발사 단가가 센 아틀라스 V는 지구 저궤도 (LEO) 까지 대충 kg당 1만 3천 달러, 아리안이 kg당 1만 달러, 싼 축에 속하는 팰컨 9 등은 kg당 5천 달러 선이다. 그러니 1톤 정도의 중형 우주 망원경을 쏘아 올리려면 발사비가 1천만 달러, 대형인 4톤급이라면 5천만 달러 정도로 상당히 비싸기는 하지만 우주망원경 전체 비용에 비하면 그리 비싸지 않다. 대충 1/10 정도의 비중을 차지한다고 보면 된다.
지상 망원경과 비교했을 때 가격 대비 효율은 굉장히 떨어지는 편이지만 위에서도 언급했듯 감마선과 X선은 이렇게 하지 않으면 연구 자체가 되질 않고, 마이크로웨이브도 일부 영역대는 대기 산란을 일으키기 때문에 역시 우주로 띄워야 한다. 그래서 이런 특정 영역의 망원경은 스폰서나 프로젝트 참가자들이 많아진다.
애초에 고장이 나지 않도록 설계를 해서 쏘아 올리는 것이 가장 좋지만 만사가 항상 좋게 흘러갈 수 없는 일이라 이런저런 고장은 거의 필연적으로 발생할 수밖에 없는데, 우주에 있다 보니 유지 보수가 지상 망원경과는 비교도 안 되게 까다로울 수밖에 없다.
특히 우주에서 수리하려면 드는 비용이 쏠 때보다 배가 넘을 수 있고 기술적인 문제도 크다. 전자의 경우 우주왕복선으로 허블 우주망원경을 다섯 번이나 A/S한 게 대표적인데 천문학적인 돈이 들어가 돈 잡아먹는 하마가 되었다. 심지어 유명한 허블 울트라 딥 필드 사진도 사실은 STS-107 참사 후 허블 서비스 미션이 백지화되자 과학자들이 여론몰이를 위해 터뜨린 것이다. 뭐 그 덕에 STS-125 펀딩을 받아냈지만, 그거 한다고 STS-400이라는 터무니없는 구조 미션까지 대비해야 했다.
이렇게 인류 역사상 전무후무한 우주 망원경 수리 미션이 지속적으로 가능했던 것은 첫째로 NASA가 엄청난 돈을 쏟아 부어 제작한 허블 망원경이었기 때문이고, 둘째로 허블 망원경의 과학적 발견 업적이 뛰어났기 때문이며, 셋째로 미국이 아직 스페이스 셔틀을 운용하고 있었던 덕분이고, 가장 결정적으로 허블 자체가 지구와 매우 가까운 저궤도에 위치해 있었기 때문이었다. 우주왕복선 운행 종료 이후로 미국의 유인우주선 프로젝트가 잠시 휴지기에 들어갔다가 새로운 도약을 준비하고 있는 지금과 같은 애매한 타이밍에 망원경에 큰 사고라도 일어났다간 문제의 해결이 여러 가지로 어려워지게 된다.
특히 태양-지구 L2 영역에[8] 띄워진 우주망원경의 수리를 하러 갈 정도의 유인우주선이 상용화는 커녕 아직 개발 초기 단계라는 기술적 문제가 크다. 여기까지 가려면 적어도 화성 왕복은 가능한 수준은 되어야 하는데 현재 이게 가능한 스펙을 갖고 있는 로켓은 스타십과 SLS 로켓 뿐이고, 인간이 안전하게 거주하며 화성까지 갈 수 있는 수준의 유인우주선은 아직 까지 유의미한 수준의 개발 단계에 들어간 것조차 존재하지 않는다.[9] 게다가 우주왕복선 퇴역 이후 지구 저궤도에 단독으로 설치된 우주 망원경의 수리가[10] 가능한지 확실히 실증된 유인우주선도 현재 없는 상태다.[11]
즉, 현시점에서 우주 망원경이 고장 나면 우주정거장에 설치된 정도를 제외하면 수리가 불가능한 상황이며, 그냥 버리는 게 나을지 비용 효율성을 고민해봐야 하는 골치 아픈 사태가 벌어진다. 제임스 웹 우주 망원경이 대표적인데 이론 상 유인 유지보수 작업은 가능하다고 평가되지만, 우주비행사를 당장 보낼 수준의 기술력을 확보하지 못한 상황이라는 건 변함 없어 큰 고장이 나면 사실상 버리는 쪽에 무게를 실어 놓은 상태다.[12]
특히 우주에서 수리하려면 드는 비용이 쏠 때보다 배가 넘을 수 있고 기술적인 문제도 크다. 전자의 경우 우주왕복선으로 허블 우주망원경을 다섯 번이나 A/S한 게 대표적인데 천문학적인 돈이 들어가 돈 잡아먹는 하마가 되었다. 심지어 유명한 허블 울트라 딥 필드 사진도 사실은 STS-107 참사 후 허블 서비스 미션이 백지화되자 과학자들이 여론몰이를 위해 터뜨린 것이다. 뭐 그 덕에 STS-125 펀딩을 받아냈지만, 그거 한다고 STS-400이라는 터무니없는 구조 미션까지 대비해야 했다.
이렇게 인류 역사상 전무후무한 우주 망원경 수리 미션이 지속적으로 가능했던 것은 첫째로 NASA가 엄청난 돈을 쏟아 부어 제작한 허블 망원경이었기 때문이고, 둘째로 허블 망원경의 과학적 발견 업적이 뛰어났기 때문이며, 셋째로 미국이 아직 스페이스 셔틀을 운용하고 있었던 덕분이고, 가장 결정적으로 허블 자체가 지구와 매우 가까운 저궤도에 위치해 있었기 때문이었다. 우주왕복선 운행 종료 이후로 미국의 유인우주선 프로젝트가 잠시 휴지기에 들어갔다가 새로운 도약을 준비하고 있는 지금과 같은 애매한 타이밍에 망원경에 큰 사고라도 일어났다간 문제의 해결이 여러 가지로 어려워지게 된다.
특히 태양-지구 L2 영역에[8] 띄워진 우주망원경의 수리를 하러 갈 정도의 유인우주선이 상용화는 커녕 아직 개발 초기 단계라는 기술적 문제가 크다. 여기까지 가려면 적어도 화성 왕복은 가능한 수준은 되어야 하는데 현재 이게 가능한 스펙을 갖고 있는 로켓은 스타십과 SLS 로켓 뿐이고, 인간이 안전하게 거주하며 화성까지 갈 수 있는 수준의 유인우주선은 아직 까지 유의미한 수준의 개발 단계에 들어간 것조차 존재하지 않는다.[9] 게다가 우주왕복선 퇴역 이후 지구 저궤도에 단독으로 설치된 우주 망원경의 수리가[10] 가능한지 확실히 실증된 유인우주선도 현재 없는 상태다.[11]
즉, 현시점에서 우주 망원경이 고장 나면 우주정거장에 설치된 정도를 제외하면 수리가 불가능한 상황이며, 그냥 버리는 게 나을지 비용 효율성을 고민해봐야 하는 골치 아픈 사태가 벌어진다. 제임스 웹 우주 망원경이 대표적인데 이론 상 유인 유지보수 작업은 가능하다고 평가되지만, 우주비행사를 당장 보낼 수준의 기술력을 확보하지 못한 상황이라는 건 변함 없어 큰 고장이 나면 사실상 버리는 쪽에 무게를 실어 놓은 상태다.[12]
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이 분야의 선구자인 허블 우주 망원경이 있다. 허블 망원경은 가시광선 뿐만 아니라 자외선, 유클리드는 근적외선 관측 장비도 탑재했다.
- 낸시 그레이스 로먼 우주 망원경 (2026~7년 발사 “예정”)
자외선은 오존 등에 의해 감쇠되고 산란된다. 그러나 자외선은 성간소광의 영향을 가시광보다 더 심하게 받고, 특히 91.2 nm 이하의 파장을 갖는 극자외선의 경우 성간 중성수소에 의해 쉽게 차단되어 관측 가능한 영역이 다른 파장에 비해 매우 작기 때문에[18] 우주망원경을 통한 자외선 관측은 그다지 활발하지 않다.
감마선은 파장이 너무 짧은 탓에 관측 디바이스를 다 뚫고 지나가 버리기 때문에 관측 자체가 힘들고, 반사 거울로 상을 맺게 하는 것도 어렵다. 게다가 위성 1개만 올려서는 방향 판단도 하지 못하기 때문에 3개 이상을 동시에 쏘아 올려서 관측해야 했다. 그나마 다행히 기술 발달로 관측장치를 밀집해서 채우는 방법으로 1개 위성만으로도 판단이 가능하게 되었다. 이러한 감마선 관측 위성은 반사나 굴절을 이용한 광학계를 갖추는 대신, 일종의 방사선 검출기를 이용해 고에너지 광자의 입사 방향과 에너지를 측정하는 방식으로 감마선을 관측한다.[20]
감마선 관측 위성쯤 되면 '망원경'이라고 부르기에는 형태상으로 완전히 다르다. '감마선 관측 위성'이라고 부르는 편이 좀더 명확하다.
감마선 관측 위성쯤 되면 '망원경'이라고 부르기에는 형태상으로 완전히 다르다. '감마선 관측 위성'이라고 부르는 편이 좀더 명확하다.
[1] 성간물질이라는 지구의 구름보다 훨씬 지독한 구름이 존재하기는 한다. 이 경우는 피할 방법이 아예 없어서 천문학자들도 곤혹을 치른다.[2] 그 전에도 천문학적 용도로 쏘아 올려진 위성들이 있기는 했지만 본격적으로 거울과 CCD를 달고 올라간 망원경은 허블이 최초다. 허블 직전에 올라간 COBE의 경우도 신호의 강약을 통해 우주배경복사 지도를 만드는 일을 했을 뿐 본격적으로 이미징 장치가 달리지는 않았다. 하지만 최근에는 형태에 관계없이 천체관측 목적으로 올라가는 위성은 전부 망원경이라고 부른다.[3] 허블 이전에 쏘아 올려진 망원경들은 모두 군사용이라 과학적 용도로 사용되지는 않았다. 현대에도 미국은 허블과 동급, 혹은 능가하는 성능을 가진 위성들을 운용하고 있는 것으로 보인다. 2012년 NRO에서 창고에 처박아 두었던 구형 정찰위성 2대를 NASA에 기증했는데, 이 위성의 성능이 허블보다 뛰어나다고 한다. [4] 입체상의 모든 영역을 찍어 지도처럼 만든다. 과거엔 고에너지 망원경 및 전파 망원경이 어쩔 수 없이 이런식으로 관측할 수밖에 없었지만 현재는 이것이 효율적이라 낮은 에너지 영역도 이렇게 관측을 한다.[5] 간섭계를 이용하여 이론상 구경을 무한대로 만들 수 있다.[6] 여기엔 레이저 등을 이용해 대기의 굴절률을 측정한 다음 왜곡되기 이전의 상을 추적하는 능동광학 기술이 큰 몫을 했다. 현재는 이미지 보정 기술과 컴퓨터 성능의 어마어마한 발전으로 인해 적어도 가시광 영역에서는 무게와 크기의 제한이 훨씬 덜한 일반 천체망원경이 오히려 우세를 점하고 있다.[7] 감마선 망원경의 경우엔 과거엔 3대를 동시에 띄워 사용했다. 감마선의 짧은 파장으로 인해 모든 방향에서 감마선이 쏟아지는데, 이 방향을 잡기 위해서 디텍터의 감지 시간 차를 이용했는데 이것이 최소 세대가 입체 상에서 다른 위치에 있어야 했기 때문에. 기술이 발전한 후로는 하나에 수백 개의 디텍터를 넣어 보완했다.[8] 태양과 지구의 중력, 원심력의 영향이 상쇄되는 곳이다.[9] 스타십이 그나마 가장 가까이 오긴 했는데, 지구 저궤도로 올릴 수 있는 기술만 실증 되었고, 본격적인 유인우주선 + 우주 급유 부분에선 이뤄진 게 없다.[10] 미국과 중국의 우주정거장 외부에 부속으로 설치된 망원경은 우주비행사들이 외부로 나가 수리를 하고 있다.[11] 스페이스X의 드래곤 2가 2024년에 기초적인 수준의 우주유영을 실험 한 게 전부다. 참고로 드래곤 2는 나사의 의뢰를 받아 허블 우주망원경의 우주비행사 파견 수리가 가능한 기술을 개발 중이다.[12] 고도가 15억 미터로 달의 고도인 3억 8000만 미터보다 약 4배 더 높은 곳에 있다.지구에서 너무 먼 곳에 있어 사람이 가는 것부터가 거의 불가능하다.[13] 전파 망원경 자체가 크면 클수록 좋아서 간섭계까지 형성하면 분해능이 더 커지고 대기 정도는 문제도 아니므로 당연히 지상 망원경으로 짓는 일이 많다. 다만 기술이 발전하면 몇개씩 우주에 멀리 띄워 간섭계를 형성하는 것이 가능하면 달라질 것이다. [14] 제임스 웹 망원경 문서에 나오듯 같은 대상을 재촬영한 것을 비교하면 안보이던 성운 뒤 항성이 비로소 보인다. [15] 적외선이 주 영역이지만, 600nm 이상의 파장을 가지는 가시광선도 관측 가능[16] 캘리포니아 공과대학교 주도 NASA 적외선 3D 우주 관측 프로젝트로 한국천문연구원과 합작했다.※[17] 적외선 관측이 핵심 영역이지만, 가시광선과 자외선도 관측 가능.[18] 91.2 nm 파장의 자외선은 비교적 가스 밀도가 낮은 태양 근처의 성간공간에서도 평균자유행로가 1파섹 수준에 불과해 유의미한 관측을 전혀 할 수 없다. 다만 은하수에서 멀리 떨어진 방향이라면 극자외선 중 파장이 짧은 쪽에 대해서는 국부은하군 정도까지는 간신히 관측이 가능하다.[19] 극자외선도 반사에 있어서는 X선과 유사한 성질을 갖고 있어, 극자외선 관측에도 X선 망원경과 유사한 구조의 광학계를 써야 한다. 이는 정밀 반도체 제조를 위한 포토 리소그래피에 쓰이는 극자외선 노광장비의 개발 및 생산이 까다로운 원인 중 하나이기도 하다.[20] 페르미 감마선 망원경을 예로 들면, 감마선이 금속 포일과 충돌할 때 전자와 양전자가 생성되는 쌍생성 현상을 검출해 쌍생성을 일으킨 광자의 입사 방향과 궤적을 알아낸다.[21] 주파수 10 Hz 미만의 중력파는, 지구의 지각 활동에 기인한 잡음 때문에 지상 기반 중력파 검출기로는 검출이 불가능하다.
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