제임스웹의 원리
어떻게 사진을 찍을까?
제임스웹은 관측하고자 하는 천체에서 나온 빛을 주경으로 모아 사진을 찍는다. 하지만 발사 이후 목적지에 도착한 제임스웹이 처음으로 찍은 사진은 다음과 같았다.
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출처 : 나사
‘HD 84406’라 불리는 별을 제임스웹이 18개의 거울로 각각 찍은 사진이다. 하나의 별을 찍은 것이지만 사진 상에서 서로 다른 곳에 별이 찍혔다.
제임스웹의 18개 거울은 원래 6각형 모양으로 연결되어 하나의 주경으로 작동한다. 하지만 이 사진처럼 서로 다른 곳에 별이 찍히면 18개의 거울은 하나의 주경으로 작동할 수가 없다.
제임스웹이 제대로 된 사진을 찍을 수 있게, 거울 18개가 모두 한 곳을 바라보게 하는 작업이 시작됐다.
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우선 첫 번째 사진에서 각 별이 어느 거울에서 찍힌 것인지 파악한다.
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파악이 되면 각 거울을 움직여서 별이 각 거울이 위치한 곳에 찍힐 수 있도록 한다. 이 과정을 ‘이미지 배열(Image Array)’이라고 한다.
화면 중앙 버튼을 좌우로 움직여보세요. 출처 : 나사
이 같은 작업이 끝난 뒤 찍은 사진이다. 첫 사진에 비해 정리가 된 모습이다. 하지만 빛 번짐이 심한 모습도 확인할 수 있다. 이제 빛 번짐을 줄이기 위한 작업이 시작됐다.
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빛 번짐을 줄이는 작업은 ‘세그먼트 정렬(segment alignment)’이라고 불린다. ‘위상 검색(Phase Retrieval)’이라는 수학적 분석을 통해 18개 거울을 조금씩 조절해 빛 번짐을 줄인다.
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세그먼트 정렬 이후 빛 번짐이 상당히 줄어든 모습을 볼 수 있다. 마지막으로 남은 작업은 18개로 분리된 빛을 하나로 합치는 작업이다.
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거울의 위치를 하나씩 조절해 빛이 가운데로 모이게 한다. 하나의 빛은 하나의 정보를 갖고 있다. 18개의 거울에서 각자 반사시킨 빛을 하나로 모은다면 18개의 정보가 하나로 합쳐지기에 더욱 선명한 사진을 얻을 수 있다.
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출처 : 나사
하나로 합쳐진 깔끔한 사진이다.
제임스웹은 이후로도 몇 개월에 거쳐 세밀한 조정 작업을 진행했다.
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출처 : 나사
작업이 모두 종료된 후 제임스웹이 찍은 사진이다. 가운데에 찍힌 별은 지구에서부터 2,000 광년 떨어진 ‘2MASS J17554042+6551277’이다. 굉장히 생소한 이름이지만 우리 은하계 안에 있는 별이다. 배경으로 찍힌 것들은 하나하나가 모두 은하다. 지구에서부터 수십억 광년 떨어진 곳에 위치한다.
제임스웹은 이후로도 자체 부품을 하나씩 테스트하며 제대로 된 사진을 찍기 위한 준비를 마쳤다.
제임스웹은 각각의 부품과 협업을 통해 사진을 찍는다. 이때 가장 중요한 역할을 하는 것이 벌집 모양의 주경이다.
제임스웹의 주경은 세상에서 두 번째로 가벼운 금속이면서도 강철보다 50% 높은 내구성을 지닌 베릴륨으로 만들어졌다. 적외선을 잘 반사할 수 있도록 표면에는 금이 입혀졌다.
주경의 주된 역할은 적외선을 모으는 것이다. 초점이 잘 맞아진 주경은 먼 천체에서 나온 적외선을 모아 가운데 달린 부경으로 보낸다. 부경은 거울 재질로 돼 있다. 주경에서 온 적외선을 다시 반사시켜 제임스웹 본체로 보낸다.
제임스웹 본체로 온 적외선은 통합과학모듈(ISIM)에서 처리된다. ISIM은 4개의 과학장비를 포함한 장치다. 적외선을 분해하여 해당 천체의 대기 성분, 온도 등을 분석할 수 있도록 하는 분광작업과 사진 촬영을 수행한다.
ISIM에서 찍은 사진은 하단 부품에서 지구로 송신된다. 하단에는 태양광 발전장치와 지구와의 통신장치가 있다. 통신장치를 통해 제임스웹은 사진을 지구로 보내고, 지구의 관제실은 적절한 명령을 내릴 수 있다.
모든 과정이 잘 이뤄지려면 주경과 ISIM이 극저온 상태로 잘 유지돼야 한다. 주경과 ISIM에 열이 가해지면 여기서 발생하는 적외선 탓에 관측이 제대로 안되기 때문이다. 5중으로 된 선 쉴드(Sun Shield)는 태양광을 막아주어 상단의 부품을 절대 온도 40K(섭씨 -233°)로 유지시켜준다.

제임스웹의 성능

기존 우주망원경보다 얼마나 더 좋을까?

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제임스웹의 발사 과정

어떻게 우주로 날아갔을까?

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제임스웹의 위치

지금 어디에 있는걸까?

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제임스웹의 가능성

외계 생명체를 발견할 수 있을까?

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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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