제임스웹의 성능
기존 우주망원경보다 얼마나 더 좋을까?
제임스웹 이전에도 여러 우주망원경이 존재했다. 대표적인 것이 허블 우주망원경(허블)이다. 1990년부터 30년 넘게 다양한 우주의 사진을 찍으며 궁금증을 풀어줬다. 과연 제임스웹은 무엇이 얼마나 더 좋을까.
허블 우주망원경. 출처:나사
지금까지 인류가 본 대부분의 우주 사진은 허블이 찍은 것이다. 우주에 대한 우리의 관점을 확립시켜준 망원경인 셈이다.
대마젤란 성운 안의 거대 성운들 NGC 278 은하 소마젤란 성운 메시에 74 은하 런닝맨 성운 적외선으로 찍은 안드로메다 은하 NGC 2024 불꽃 성운 참새우 성운 초신성 폭발 잔해
각 사진을 클릭시 확대됩니다.
제임스웹은 허블의 100배에 달하는 성능을 보유했다. 어떻게 가능했을까.
1. 주경의 차이
제임스웹과 허블 비교. 출처:나사
우선 주경(빛을 모으는 거울)을 비교할 수 있다. 망원경은 주경이 크면 클수록 더 많은 빛을 모아 더 어두운 천체를 관측할 수 있다. 주경이 클수록 분해능(물체를 구분할 수 있는 능력)이 좋아져 별을 더 선명하게 볼 수 있다.
허블의 주경은 직경 2.4m의 거울 하나다. 반면 제임스웹은 1.3m짜리 거울을 18개 합친 주경을 사용한다. 직경이 6.5m에 이른다. 허블과 제임스웹은 주경 지름에서 2.7배 차이가 나는 것이다. 집광력(빛을 모으는 능력) 차이는 2.7의 제곱인 약 7.3배에 이른다. 제임스웹이 허블에 비해 7배나 더 어두운 빛을 볼 수 있다는 뜻이다.
2. 관측 범위
허블과 제임스웹은 관측하는 빛의 종류도 다르다. 빛은 얼마나 많은 에너지를 가지고 있느냐에 따라 적외선, 가시광선, 자외선 등으로 구분된다. 허블은 상대적으로 에너지가 많은 가시광선과 근적외선을 관측한다. 제임스웹은 에너지가 적은 중적외선 관측도 가능하다. 적외선 관측 시 가려진 것도 잘 보이기 때문이다.
가시광선 적외선 비교. 출처:칼텍
왼쪽은 가시광선을 찍은 사진이고, 오른쪽은 적외선을 찍은 사진이다. 가시광선을 찍으면 손이 비닐봉지에 가려져서 보이지 않는다. 이것이 우리가 일상적으로 보는 장면이다. 하지만 적외선을 찍으면 손에서 나온 적외선이 비닐봉지를 통과하기에 설령 비닐에 가려져있어도 잘 찍힌다. 우주에서는 우주에 가득찬 먼지인 성간물질이 비닐봉지 같은 역할을 한다.
창조의 기둥. 출처:나사
“창조의 기둥”이란 성운을 찍은 사진이다. 왼쪽은 가시광선, 오른쪽은 적외선을 찍은 것이다. 가시광선을 찍었을 때는 성운에 가려져서 보이지 않았던 별들이, 적외선으로 찍었을 때는 성운을 통과하여 잘 보이는 것을 알 수 있다.
제임스웹이 적외선을 관측하는 또 하나의 이유는 최초의 별을 관측하기 위해서다. 오래된 빛은
우주론적 적색편이
에 의해 에너지를 점점 잃게 된다. 따라서 최초의 별에서 나온 빛도 점점 에너지가 낮아져 현재는 적외선으로 전 우주에 퍼져있다. 특히 우주 탄생 이후 초기에 생긴 별과 은하에서 나온 빛은 더 많은 적색편이가 이뤄져 현재는 중적외선, 원적외선 형태로 우주에 퍼져있다.

가시광선

근적외선

                 

중적외선

현재
빅뱅 이후 137억년

거대은하 형성
빅뱅 이후 5억년 뒤

우주 극초기 별과 은하

첫 번째 별

허블은 근적외선 영역까지만 관측이 가능하다. 그래서 우주가 탄생하고 5억년 후에 생긴 은하까지만 관측할 수 있다는 한계가 있다.

반면, 제임스웹은 중적외선까지 관측하기 때문에 우주 탄생 이후 매우 초기 단계에 생긴 별까지 관측할 수 있다.

이처럼 제임스웹은 기존 우주망원경에 비해 더 많은 빛을 모을 수 있고, 더 오래된 빛을 볼 수 있다는 점에서 특별하다. 30년이 넘은 허블 외에 비교적 최근 운용을 시작한 다른 우주망원경과 비교해도 마찬가지다. 2003년부터 임무를 수행하며 제임스웹과 같은 적외선 영역을 관측하는 스피처 우주망원경과 비교해 보자.
스피처 우주망원경. 출처:나사
스피처는 제임스웹과 같이 적외선 영역을 관측한다. 하지만 주경이 작은 탓에 집광력은 약 58분의 1에 불과하다. 또 같은 빛을 관측했을때 분해능 또한 제임스웹에 비해 약 7분의 1이다.
스피처는 2020년까지 16년 동안 임무를 수행하며 다양한 천체의 적외선 사진을 찍어왔다. 그 중 하나가 ‘대 마젤란 성운’이다. NASA는 조정 작업을 마친 후 제임스웹이 같은 곳을 찍은 사진을 공개했다.
대 마젤란 성운 사진 비교. 출처:나사
각각 스피처(왼쪽)와 제임스웹이 찍은 ‘대 마젤란 성운’ 사진이다. 분해능이 약 7배 더 좋은 제임스웹이 더 선명한 사진을 찍었다.
제임스웹은 이전 우주망원경에 비해 매우 큰 주경을 갖고 있어 분해능이 뛰어나고, 덕분에 더 선명한 우주를 보여줄 수 있는 것이다.

제임스웹의 발사 과정

어떻게 우주로 날아갔을까?

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제임스웹의 원리

어떻게 사진을 찍을까?

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제임스웹의 위치

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제임스웹의 가능성

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별별·질문

  • 왜 이름이 제임스웹일까?

    '제임스웹 우주망원경'은 2002년 NASA의 제 2대 국장이었던 제임스 E. 웨브의 이름을 따서 만들어졌다.

  • 제임스웹이 망가지면 어떻게 할까?

    허블 우주망원경은 지구와 가까운 곳에 있어 수리가 가능했지만, 제임스웹 망원경은 문제가 생길 경우 고칠 수 있는 방법이 없다. 망가진 상태로 관측해야 한다.

  • 운석에 맞으면 어떻게 될까?

    제임스웹은 미세한 운석 충돌에도 버틸 수 있도록 여러 테스트를 통해 견고하게 제작됐다.실제로 그동안 여러 차례 충돌이 있었음에도 불구하고 큰 영향을 미치진 않았다. 하지만 2022년 5월 테스트 때보다 큰 운석이 충돌해 제임스웹의 18개 육각형 거울 중 하나가 작은 손상을 입었다. 다행히 거울의 기능 자체에는 문제가 없었다. 엔지니어가 주경의 거울을 개별적으로 조정한 끝에 다시 정상으로 돌아왔다.

  • 우주에서 얼마나 버틸 수 있을까?

    제임스웹 망원경의 설계 수명은 원래 5~10년이었다. 하지만 발사가 성공적으로 이뤄지고 관측 지점까지 무사히 안착한 덕분에 추가 궤도 조정에 필요한 연료를 아낄 수 있었다. 과학계에서는 예상 수명 10년을 넘어 최대 20년까지 작동할 수 있을 것으로 보고 있다.

* 제임스웹에 대한 더 많은 소식은 동아사이언스에서 확인하실 수 있습니다.

출처 및 제작 방법

사진과 영상은 NASA에서 공개한 자료를 사용했다. 기사 속 모든 3D 장면은 three.js 라이브러리를 사용해 제작했다. 아리안5호 로켓제임스웹 3D 모델은 sketchfab 무료 모델을 사용했다. 3D 모델의 변형은 모델을 구성하는 각 부품의 속성값을 찾아낸 뒤 위치에 변화를 주거나 하이라이트 효과를 적용했다. 뉴욕타임즈에서 개발한 three-story-controls를 활용해 스크롤에 따라 카메라 위치가 이동하도록 만들었다.

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