11조원짜리 '우주 눈(Space Eye)'의 비밀

2021년 12월 15일 프랑스령 기나에서 제임스웹 우주망원경을 싣도 발사된 아리안5호 로켓의 발사장면/사진제공=미 항공우주국(NASA)

지난해 민간기업인 스페이스X(테슬라), 블루오리진(아마존)과 버진갤러틱(버진그룹) 등이 우주유영과 여행 등 민간 우주개발 시장에 뛰어들면서 우주에 대한 인간의 호기심은 더욱 커지고 있다.

게다가 최근 미국은 러시아 등 16개국과 공동 운영하는 우주정거장(ISS)을 2024년까지만 운영하기로 했던 것을 2030년까지 6년 연장했다. 중국이 올해말까지 텐궁(天宮)이라는 새로운 우주정거장을 완성키로 함에 따라 미국이 중국과의 우주경쟁에서 뒤지지 않기 위한 조치로 읽힌다.

한화나 현대중공업 등 우리 기업들도 누리호 발사를 계기로 항공우주 산업으로의 한걸음 더 나아가고 있다.

이같은 민간 우주시대가 활발히 준비되는 가운데 우주 탄생의 비밀에 다가갈 '우주의 눈' 제임스웹 우주망원경(JWST: James Webb Space Telescope)이 지난달 25일 발사되자 우주에 대한 관심은 점증하고 있다. 100억달러(약 11조원)를 투자해 150만km 깊은 우주로 가는 JWST가 어떻게 135억년전 과거를 들여다볼 수 있는 것이며, 이런 관측이 우리에게 어떤 의미가 있는 지 파봤다.

제임스웹 우주망원경은 지금 어디쯤 가고 있나

제임스웹 우주망원경 홈페이지에서의 항로추적 모습. 9일 11시간 27분경의 위치가 아래 쪽에 표시돼 있다./사진제공=미 항공우주국(NASA)

미 항공우주국(NASA)이 지난 25일 프랑스령 기아나 쿠로우 우주센터에서 아리안5 로켓에 실어 발사한 제임스웹 우주 망원경은 발사 열흘 후인 4일(우리시간 오전 9시 현재) 태양가림막을 펴고 지구로부터 약 88만km 지점까지 날아갔다.

현재 시속 약 1950km(음속 340m/s보다 빠른 541m/s: 항공기 평균 비행속도 800km의 2배 이상)로 비행하고 있다. 이 속도로 9일 11시간 정도만에 지구에서 달까지의 거리(38만 4400km) 2.3배에 해당하는 우주로 이동했다.

비행 중 각종 망원경 펼침작업이 진행되고 있다. 앞으로 사흘 후인 7일경 망원경의 핵심 부품 중 하나인 보조 반사경을 펴게 된다. 그 이틀 후인 9일 6.5m의 주반사경의 배치에 들어가고, 12일경 육각형 거울 18개가 벌집 모양으로 조립된 후 귀착지인 라그랑주 L2지점까지 남은 17일간의 여행을 이어간다.

이미 이곳에는 제임스 웹보다 먼저 8년전 우주로 떠난 가이아 우주 망원경이 도착해 있다. 2013년 12월 19일 유럽우주국(ESA)에서 발사한 이 망원경은 JWST가 계획하고 있는 것과 같이 라그랑주 L2 지점에서 공전하고 있다.

본다(관측)는 것은 무엇인가...과거다.

아리안5 로켓에 탑재돼 발사된 제임스웹우주망원격이 로켓탄두로부터 분리되는 장면의 상상도/사진제공=미 항공우주국(NASA)

제임스웹 우주망원경을 지구로부터 150만km의 거리인 라그랑주 지점(태양과 지구의 중력이 힘의 균형을 이루는 점)에 보내는 이유는 최적의 관측을 위한 목적이다. 지구 대기로 인한 빛의 산란과 반사를 막고, 중력의 영향으로 인한 에너지 사용을 최소화하며 관측하기 위한 최적의 지점이다.

지구 대기의 각종 먼지나 수증기 방울들은 빛을 흩어놓거나 막는다. 또 가시광선을 제외한 적외선이나 자외선, X-선, 감마선 등은 지구 내부까지 도달하지 못하는 한계도 있다. 따라서 그런 영향이 없는 우주에서 심연을 들여다보는 것이다.

고대 철학자들과 과학자들은 인류의 기원에 대한 호기심으로 우주를 관측했고, 그 과정에서 '보는 것이 무엇'인지에 대한 근본적인 질문을 던져왔다.

고대인들은 사람의 눈에서 빛이 나와 그 빛이 사물에 닿음으로써 색깔을 볼 수 있게 된다고 믿었다. 그리고 먼 별을 볼 때 눈을 뜨자마자 즉시 볼 수 있는 것은 눈에서 나간 빛의 속도가 무한히 빠르기 때문이라고 생각했다.

그리스 철학자 아리스토텔레스는 색에는 두종류가 있다고 믿었다. 원래 물체가 가지고 있는 고유한 색깔과, 빛이 사라지면 없어지는 겉보기 색깔이 그것이다. 어두워지면 사라지는 색깔들은 겉보기 색깔이고, 모든 물체는 자신의 고유한 색깔을 가진다고 생각했다.

이를 깬 것이 프랑스 철학자 르네 데카르트와 영국의 천재 과학자 아이작 뉴튼이다. 데카르트는 빛은 미생물로 구성돼 있는데 이 미생물이 물체에 부딪히면 반사와 굴절 과정에서 색이 변한다고 주장했다.

반면 뉴튼은 빛의 구성물이 미생물이 아니라 광자이며, 이는 프리즘을 통해 일곱 빛깔 무지개색으로 분광할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 우리가 보는 색깔은 원래 그 물체가 가진 고유의 색이 아니라 그 물체가 가장 잘 반사시키는 색깔이라는 것을 300여년 전에 파악한 것이다.

사과가 붉게 보이는 것은 가시광선 중 붉은 파장의 빛을 사과의 껍질이 반사하기 때문에 우리 눈에 그렇게 보이게 되는 것이다. 프리즘의 푸른 빛만을 사과에 비추면 사과는 파란색으로 보이는 것을 통해 물질 고유의 색깔이 있다는 아리스토텔레스의 1000여년전의 믿음을 뒤집은 것이다.

본다는 것은 빛의 파장을 측정하는 행위다. 우리의 눈은 수정체로 들어온 외부의 빛이 반사돼 망막의 시신경에 빛 신호를 전달하면 이를 전기적 신호로 바꿔 대뇌의 시세포로 전달하고 이를 우리의 대뇌가 인식하는 형태로 작동한다.

가시광선은 빛의 반사를 우리의 눈이 인지할 수 있는 것이고, 그 외 적외선이나 자외선 등의 파장들은 우리 눈으로는 인식하지 못하지만 이를 감지할 수 있는 측정방식을 통해 관측 가능한 것들이다.

시간을 거꾸로 거슬러가는 타임머신

18개의 벌집모양의 반사경을 모아 지름 6.5m의 주반사경을 만드는 제임스웹 우주망원경의 실험실 내 펼쳐진 모습./사진제공=미 항공우주국(NASA)

이런 관측 행위가 과거라는 시간의 흐름과는 무슨 연관이 있을까.

빛의 속도가 무한대라고 생각했던 고대인들과 달리 빛이 일정한 속도(초속 약 30만km)를 가진다는 것을 안 이후부터 우리는 "내가 지금 보는 빛은 과거의 어느 시점에서 달려온 것"이라는 인식을 하게 됐다. 그 빛이 우리에게 도달하는 시간을 거꾸로 거슬러가면 과거를 만날 수 있다는 상상을 하게 된 것이다.

이탈리아의 천재 과학자 갈릴레오 갈릴레이는 고대인들이 생각하는 '빛의 속도는 무한대다'는 인식에 동의하지 않았다. 그는 빛의 속도는 유한할 것이라는 생각에서 측정에 나섰다.

1638년 이탈리아 프로렌스의 산 위에서 덮개가 있는 등불을 들고 5마일(약 8km) 떨어진 산 위에 같은 종류의 등불을 든 조수를 보내 등불을 점멸하며 빛의 속도를 측정했다.

자신이 등불 덮개를 여는 순간 이를 본 조수도 덮개를 열어 등불을 비추면 자신이 이를 관측했을 때의 시간을 측정해 빛의 속도를 알아내려 했다. 하지만 초속 30만km를 달리는 빛을 약 8km(왕복 16km) 떨어진 위치에서 1초 미만의 차이를 측정하는 것은 당시로는 불가능해 그는 빛의 속도가 무한대라고 오히려 믿었다.

하지만 올레 뢰머(덴마크 천문학자), 아르망 이폴리트 피조(프랑스 물리학자)나 제임스 크라크 맥스웰(영국 이론물리학자) 등 다양한 과학자들이 빛의 속도가 초속 약 30만km이며, 전자기파라는 것을 실험과 계산을 통해 밝혀냈다.

이를 통해 태양에서 지구(거리 약 1억 5000만km)로 온 빛이 8분 전 태양에서 출발한 '과거의 빛'이라는 것을 알게 됐다.

더 먼거리에서 온 빛은 더 먼 과거를 보여주는 타임머신의 열쇠가 됐다. 라그랑주 지점을 향해 달려가고 있는 제임스웹망원경은 지구로부터 150만km 떨어진 곳에서 운행된다.

여기서 초당 30만km 속도로 빛 신호를 보내면 우리가 받아보는 데는 5초 가량 걸린다. 우리는 5초 전 과거에 보낸 신호를 앞으로 받아보게 되는 것이다.

135억년 전(빅뱅 후 2억년 시점) 우주의 탄생시기를 관측한다는 것은 제임스웹 망원경이 135억광년 떨어져 있는 곳의 빛을 찾아낸다는 것을 의미한다. 그 빛을 찾는다면 우리는 우주 탄생초기의 모습을 어렴풋이라도 확인할 수 있는 길이 열리는 것이다.

7개 우주 감각...우주에선 어떻게 보나

우주에서 관측되는 파장별 스펙트럼. 긴 파장일수록 먼거리를 이동하지만 에너지의 강도는 낮다. 우리가 눈으로 볼 수 있는 대역은 400nm~700nm 사이의 가시광선 대역 뿐이다.

인간이 볼 수 있는 빛(가시광선)을 프리즘으로 분광하면 빨주노초파남보(400nm~700nm 파장)의 일곱가지 색이다. 우리 눈이 가시광선에 특화된 이유는 표면 온도가 약 6000K(절대온도)인 태양에너지의 대부분이 500nm 파장에서 방출되기 때문에 이에 맞게 진화한 것으로 추정된다. 이 파장대는 인간의 눈으로 볼 수 있는 한계다. 이보다 파장이 짧은 근자외선(300~400nm)은 새나, 곤충, 물고기 등은 볼 수 있다고 한다.

우주에선 이런 가시광선 대역보다 긴 파장인 라디오파(파장 1미터 이상, AM라디오 400m FM라디오 3m), 마이크로웨이브(1mm~1m), 적외선( 0.7μm~1mm)과, 가시광선보다 파장이 짧은 자외선(10~400 nm), X-선(0.01~10nm), 감마선(0.07~0.01nm) 등 크게 7가지의 전자기파 스펙트럼을 접할 수 있다.

우주를 감지할 수 있는 7감(感)인 셈이다. 우주 선진국인 미국은 이런 감각 수단을 이용해 우주를 관측해왔다. 미 항공우주국은 1990년대부터 '위대한 관측(Great Observatory) 프로그램'을 가동해 서로 다른 파장을 관측하는 우주망원경 4대를 띄웠다.

그 첫번째가 우리 귀에 낯익은 허블망원경이다. 1929년 우주가 팽창하고 있다고 발표한 미국 천문학자인 에드윈 파월 허블의 이름을 딴 이 망원경은 1990년 4월 근자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼 대역의 관측을 위해 지구 상공 559km 위치에 설치됐다. 주로 가시광선 대역에서 탁월한 성과를 올렸다.

찬드라엑스선망원경, 허블우주망원경, 스피처우주망원경으로 찍은 지구와 6523광년 떨어진 '게 성운'을 합성한 사진이다. 가운데 파란 부분은 찬드라가 찍은 엑스선 영역, 붉거나 노란 부분은 허블이 찍은 가시광선, 보라색 부분은 스피처가 찍은 적외선 영역이다. 실제 우리 눈으로 볼 때는 파란부분의 엑스선 이미지와 보라색 부분의 적외선 영역은 보이지 않지만, 이를 이미지화한 것이다./사진제공=미 항공우주국(NASA)

1년 뒤엔 X선의 콤프턴 효과를 발견한 미국의 물리학자 아서 콤프턴을 기린 콤프턴감마선망원경이 우주로 발사됐다. 두번째인 콤프턴감마선망원경은 파장이 가장 짧은 감마선과 X-선을 함께 관측하는 망원경이다.

세번째는 1999년 인도물리학자 수브라마니안 찬드라세카르를 기린 찬드라엑스선망원경으로 파장이 0.1~10nm의 X-선을 탐지했다. 블랙홀속에서 방출되는 X-선 등을 찾아내는데 사용되고 있다.

위대한 관측의 마지막은 우주망원경을 제안한 물리학자 라이먼 스피처의 이름을 따 2003년 발사된 스피처우주망원경으로 적외선 관측을 목적으로 하며 지구 옆에서 태양주위를 공전하는 망원경이다. 위대한 관측 시리즈로 완성된 '우주의 눈'은 감마선에서 적외선까지의 영역을 모두 관측할 수 있게 됐다.

이처럼 지구의 대기로 인한 산란이나 반사로 관측이 어려운 감마선, X-선, 자외선, 적외선 등은 우주에 망원경을 설치해 관측하고, 지구 대기를 뚫고 관측이 가능한 가시광선대와 라디오파의 경우 대형 전파망원경을 통해 관측하고 있다.

JWST은 왜 적외선 눈을 가졌나?

적외선 관측용 우주망원경인 제임스웹이 실험실에서 자세를 바로 세우는 모습/사진제공=미 항공우주국(NASA)

전파는 파장의 길이에 따라 다른 특성을 가지고 있다.

감마선이나 X-선, 자외선처럼 파장이 짧고 주파수가 높으면 에너지가 높고 짧은 거리만을 이동하는 한계가 있다. 방사능 붕괴에서 나오는 감마선이 우리의 세포를 파괴시키는 등의 강한 에너지를 갖고 있지만, 원거리 직진성이 약한데 이는 짧은 파장의 고준위 에너지 때문이다. X선이 우리 피부를 통과해 내부 뼈를 촬영할 수 있는 것도 강한 에너지에 의한 것이지만 납으로 된 좁은 벽 등은 뚫지 못하는 게 이런 이유다.

반면 파장이 긴 라디오파나 마이크로웨이브, 적외선의 경우 파장이 길어 에너지는 낮지만 먼거리를 이동할 수 있는 직진성이 좋다. 라디오 전파나 TV 전파 이동통신 신호 등이 산을 넘고, 막힌 건물의 유리창을 통과하는 등 직진성이 좋은 이유다.

가시광선보다 파장이 긴 깊은 우주로부터 오는 적외선 신호를 감지하기 위해 제임스웹 우주망원경을 띄워보낸 게 이런 이유다.

중적외선과 원적외선 파장대는 지구 대기의 수증기에 의해 완전히 흡수되어 지상에서는 관측이 불가능해 우주망원경을 설치하는 것이다. 모든 열을 가진 물체에선 적외선이 방출되는데 이를 적외선 센서가 감지해 그 양을 파악하는 형태다.

코로나19 이후 체온 측정을 위해 사용하는 비접촉 체온계의 경우가 복사열에 의한 적외선을 감지하는 측정도구다.

36.5도의 체온을 가진 사람의 인체에서 발생하는 적외선 방출을 감지해 이를 체온수치로 표시하는 것이다. 우주에서 135억년 전의 과거를 찾는 방식도 다르지 않다. 어디에 있을지 모를 우주 생명 씨앗의 작은 체온을 찾는 일이다.

익명을 요구한 국내 천문학계의 한 관계자는 "11조원을 투자해서 관측하는 게 무슨 의미냐고 묻지만, 인류는 끊임없이 자신의 존재를 탐구해온 존재로 이번 JWST의 발사도 그 일환이다"며 "이는 인류의 미래를 위한 투자로 보면 된다"고 말했다.