허블 우주 망원경: 우주를 바라보는 새로운 시각

우주 여행이라는 말을 들으면 무엇을 떠올리시나요? 아마도 우주선이나 우주비행사, 혹은 외계 행성이나 별들이 떠오를 것입니다. 하지만 우주 여행은 그것만이 아닙니다. 우리가 지구에서도 우주를 탐험할 수 있는 방법이 있습니다. 바로 우주 망원경을 이용하는 것입니다. 우주 망원경은 지구 대기권 밖에 설치되어, 지상의 망원경보다 더 선명하고 다양한 파장의 빛을 관측할 수 있습니다. 그 중에서도 가장 유명하고 역사적인 우주 망원경은 바로 허블 우주 망원경입니다. 이 글에서는 허블 우주 망원경의 역사와 이를 통해 우주를 바라보는 새로운 시각에 대해 알아보겠습니다.

허블 우주 망원경: 우주를 바라보는 새로운 시각

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목차

 

 

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우주 여행의 역사 - 허블 우주 망원경

허블 우주 망원경

허블 우주 망원경: 우주를 바라보는 새로운 시각

허블 우주 망원경은 1990년에 발사된 이후, 30년 넘게 우주의 신비와 아름다움을 담아내어 인류에게 새로운 시각과 지식을 제공해왔습니다.

허블 우주 망원경의 탄생

허블 우주 망원경의 이름은 20세기 초, 은하와 우주 팽창의 발견으로 인식의 새로운 지평을 연 미국의 천문학자 에드윈 허블 (Edwin Powell Hubble, 1889~1953)의 이름을 따서 지어졌습니다.

 

에드윈 허블은 1924년에 안드로메다 성운이 우리 은하에 속하지 않는 독립된 은하임을 증명하고, 1929년에는 은하들이 서로 멀어지고 있다는 것을 발견하여, 우주가 팽창한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이러한 발견은 당시 조르주 르메트르 와 알렉산드르 프리드만 이 제시한 대폭발 이론 (빅뱅 이론) 을 증명하는 최초의 증거가 되었습니다.

 

에드윈 허블은 그의 유명세를 통하여 팔로마산 의 200인치 망원경의 계획과 건립에 힘썼습니다. 하지만 그는 이 망원경이 완성되기 전에 뇌경색으로 세상을 떠났습니다. 그러나 그의 꿈은 다른 천문학자들에 의해 계승되었습니다.

 

허블 우주 망원경의 아이디어는 1946년에 천문학자 라이먼 스피처가 제안했습니다. 그는 지구 대기권의 영향을 받지 않고, 자외선과 적외선 등 다양한 파장의 빛을 관측할 수 있는 우주 천문대의 장점을 주장했습니다. 하지만 당시에는 로켓 기술이나 인공위성 기술이 발달하지 않아, 이 아이디어는 실현하기 어려웠습니다.

 

1960년대부터 1970년대에 걸쳐, NASA는 태양 공전 천문대나 오리온 자외선 관측소 등 여러 우주 망원경을 발사하여, 지상 망원경보다 더 좋은 성능을 가진 우주 망원경의 개발을 추진했습니다. 그러면서도, 더 크고 강력한 광학 망원경을 만들기 위한 계획이 진행되었습니다.

 

1977년, 미국 의회는 NASA에게 대형우주망원경 (Large Space Telescope) 프로젝트에 대한 자금을 승인했습니다. 이 프로젝트는 NASA와 유럽우주기구 (ESA)의 협력으로 진행되었으며, 주 거울의 직경은 2.4m, 관측 파장은 근자외선부터 근적외선까지, 발사 방법은 우주왕복선으로 결정되었습니다. 이 프로젝트의 목적은 은하와 별, 행성과 성운 등 다양한 천체들을 관찰하고, 우주의 기원과 구조, 팽창과 진화 등 천체물리학적인 문제들을 해결하는 것이었습니다.

로켙에 실리기 전 허블 우주 망원경

1983년에 발사될 예정이었던 이 프로젝트는 기술적인 문제와 예산 문제, 그리고 1986년의 챌린저 우주왕복선 폭발 사고로 인해 지연되었습니다. 1990년 4월 24일, 드디어 우주왕복선 디스커버리에 실려 허블 우주 망원경은 지구 저궤도에 성공적으로 배치되었습니다.

허블 우주 망원경의 위기와 극복

허블 우주 망원경

허블 우주 망원경이 발사된 후, 첫 번째 관측 결과가 기대와는 달리 실망스러웠습니다. 망원경이 찍은 사진들은 흐리고 뿌옇게 나왔으며, 원래의 해상도보다 10배나 낮았습니다. 원인을 조사해보니, 망원경의 주 거울이 정확하지 않게 제작되어 있었습니다. 주 거울은 완벽한 구면이 아니라, 중심부와 가장자리 부분의 곡률 반경이 다른 곡면으로 만들어져야 했습니다. 이를 위해 미세한 차이를 측정하는 장치를 사용했지만, 이 장치가 잘못 조립되어 있어서 오차가 발생했습니다. 이 오차는 불과 2.2마이크로미터였지만, 이로 인해 망원경의 성능이 크게 저하되었습니다.

 

NASA는 이 문제를 해결하기 위해 여러 가지 방법을 모색했습니다. 그 중에서 가장 현실적인 방법은 우주비행사를 통해 망원경을 정비하는 것이었습니다. 허블 우주 망원경은 처음부터 우주에서 수리할 수 있도록 설계된 유일한 망원경이었습니다. 1993년 12월, 엔데버우주왕복선에 탑승한 우주비행사들은 허블 우주 망원경에 도달하여, 주 거울의 광학적인 결함을 보정할 수 있는 장치인 COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement)를 설치했습니다. 또한, 가시광선 카메라를 근자외선 카메라로 교체하고, 자료 기록 장치와 태양전지판 등을 수리하거나 교체했습니다.

허블 우주 망원경

2009년까지 총 5번의 정비 임무가 이루어졌습니다. 이 임무들에서는 허블 우주 망원경의 수명을 연장하고, 새로운 관측 장비를 추가하고, 고장난 부품을 교체하는 등의 작업을 수행했습니다.

 

이렇게 수리된 허블 우주 망원경은 원래의 성능대로 작동하기 시작했습니다. 망원경이 보내온 사진들은 선명하고 세밀하게 우주의 모습을 담아내었습니다. NASA는 이 사진들을 전 세계에 공개하여, 허블 우주 망원경의 위기를 극복했다고 선언했습니다.

허블 우주 망원경의 성과와 영향

허블 우주 망원경 - 별 방출

허블 우주 망원경은 수리된 이후로도 지난 30년 동안 계속해서 우주를 관찰하며, 다양한 천문학적인 성과와 영향을 남겼습니다. 허블 우주 망원경이 발견하거나 기여한 몇 가지 사례를 살펴보겠습니다.

태양계 내 천체들

태양계 내의 행성들과 위성들, 소행성들, 혜성들 등을 상세하게 관측하였습니다. 예를 들어, 목성의 대적점의 변화, 목성 위성인 유로파의 지하 해양의 존재, 목성과 코메트 슈마커-레비 9의 충돌, 해왕성의 다크스팟, 명왕성의 대기와 지형 등을 관찰하였습니다.

별과 성단

별의 탄생과 죽음, 그리고 성단의 구조와 진화에 대해 많은 것을 밝혀냈습니다. 예를 들어, 오리온 성운의 별 탄생 지역, 쌍성의 상호작용, 행성상 성운과 초신성 잔해의 모습, 글로불러 성단과 개방 성단의 차이 등을 관찰하였습니다. 특히, 허블 우주 망원경은 우리 은하의 중심부에 존재하는 초거대 블랙홀의 증거를 제공하였습니다.

은하와 은하단

허블 우주 망원경은 다양한 형태와 크기의 은하들을 관측하고 분류하였습니다. 예를 들어, 나선 은하, 타원 은하, 불규칙 은하, 합병 은하, 활동 은하 등을 관찰하였습니다. 특히, 허블 우주 망원경은 우리 은하와 가장 가까운 이웃인 안드로메다 은하와 대마젤란 은하를 상세하게 사진으로 담아냈습니다. 또한, 허블 우주 망원경은 우리 은하는 수십억 년 후에 안드로메다 은하와 충돌할 것이라는 예측을 내놓았습니다. 뿐만 아니라, 허블 우주 망원경은 수천 개의 은하는 함께 중력적으로 결합된 거대한 구조인 은하단에 대해서도 연구하였습니다. 예를 들어, 버지오 성단과 코마 성단 등을 관찰하였습니다.

우주의 나이와 팽창 속도

우주의 나이와 팽창 속도는 천문학에서 가장 중요하고 근본적인 문제 중 하나입니다. 허블 우주 망원경은 이 문제를 해결하기 위해, 우주에서 가장 밝고 멀리 있는 별들인 초신성을 관측했습니다. 특히, 1a형 초신성은 모두 같은 밝기를 가지므로, 그 거리를 측정할 수 있는 표준 촛불 역할을 합니다. 허블 우주 망원경은 1a형 초신성의 밝기와 붉은색 편이를 측정하여, 우주의 팽창 속도인 허블 상수를 정확하게 산출했습니다. 이를 통해, 우주의 나이는 약 138억 년이라는 결론을 내렸습니다.

암흑 에너지의 존재

우주의 팽창 속도를 측정하는 과정에서, 허블 우주 망원경은 놀라운 발견을 했습니다. 바로 우주가 가속도를 가지고 팽창하고 있다는 것입니다. 이것은 뉴턴과 아인슈타인의 중력 법칙에 따르면 불가능한 일입니다. 왜냐하면, 중력은 물질들을 서로 끌어당기는 힘이므로, 우주가 팽창하다면 점점 느려져야 하기 때문입니다. 따라서, 이러한 현상을 설명하기 위해서는 중력과 반대로 물질들을 밀어내는 어떤 힘이 있어야 합니다. 이 힘을 암흑 에너지라고 부릅니다. 암흑 에너지는 우주에 가득 차 있으며, 우주의 팽창을 가속화시킵니다. 허블 우주 망원경은 암흑 에너지의 존재를 입증하는 첫 번째 관측 결과를 제공했습니다.

외계 행성의 발견과 탐사

허블 우주 망원경은 다른 별 주변에 있는 외계 행성들을 발견하고 탐사하는 데에도 크게 기여했습니다. 허블 우주 망원경은 여러 가지 방법으로 외계 행성들을 관측했습니다. 예를 들어, 어두운 별 주변에 있는 밝은 점을 찾거나, 별이 외계 행성에 의해 가려질 때의 밝기 변화를 측정하거나, 외계 행성의 대기에 의해 별빛이 굴절되는 것을 관찰하는 등의 방법입니다. 이러한 방법들을 통해, 허블 우주 망원경은 수백 개의 외계 행성들을 발견하고, 그들의 크기와 질량, 온도와 대기 조성 등을 파악했습니다.

우주의 깊은 곳

허블 우주 망원경은 지상 망원경으로는 볼 수 없는 우주의 가장 깊고 어두운 곳을 관측하기 위해 꾸준히 노력해 왔습니다. 1995년에는 하늘의 작은 부분을 10일 동안 지속적으로 관측하여 허블 딥 필드(Hubble Deep Field)라는 영상을 얻었습니다. 이 영상에는 약 3,000개의 원시 은하들이 담겨 있었습니다. 이후에도 2003년에는 허블 울트라 딥 필드(Hubble Ultra Deep Field) , 2012년에는 허블 익스트림 딥 필드(Hubble eXtreme Deep Field) , 2016년에는 허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Fields) 등을 발표하여 우주의 역사와 진화를 보여주었습니다. 이러한 영상들은 우주가 어떻게 탄생하고 변화해 왔는지에 대한 중요한 단서를 제공합니다.

대형 우주 망원경

우주에서 천체를 관측하는 데 사용되는 망원경 중에서 크기나 성능이 뛰어난 것을 말합니다. 대형 우주 망원경은 지상의 망원경보다 더 멀리 있는 천체나 더 어두운 천체를 관측할 수 있으며, 다양한 파장의 빛을 측정할 수 있습니다. 현재 우주에 있는 대형 우주 망원경 중에서 가장 유명한 것은 허블 우주 망원경입니다. 허블 우주 망원경은 1990년 에 발사된 이후, 30년 넘게 우주의 신비와 아름다움을 담아내어 인류에게 새로운 시각과 지식을 제공해왔습니다.

 

허블 우주 망원경 외에도 다른 대형 우주 망원경들이 개발되고 있습니다. 예를 들어, 제임스 웹 우주 망원경은 허블의 후속기로, 2021년 12월 25일에 발사되었습니다. 제임스 웹 우주 망원경은 허블보다 더 크고 강력한 광학 망원경으로, 주로 적외선 영역에서 우주를 관측합니다. 제임스 웹 우주 망원경은 최초의 별과 은하가 형성되는 모습이나 외계 행성들을 탐사하는 데에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

 

또 다른 예로, 유클리드 우주 망원경은 ESA가 주도하는 대형 적외선 우주 망원경으로, 2021년 7월 1일에 발사되었습니다. 유클리드 우주 망원경은 암흑 에너지와 암흑 물질이 우주의 구조와 진화에 미치는 영향을 연구하는 데에 초점을 맞춥니다. 유클리드 우주 망원경은 약 10억 개의 은하들을 관측하고, 그들의 거리와 형태를 측정하여, 우주의 팽창 속도와 기하학적인 성질을 파악할 것입니다.

 

이 외에도 중국이 2024년에 발사할 예정인 쉰톈 (神眼)이라는 대형 우주 망원경이 있습니다. 쉰톈은 허블보다 넓은 시야로 우주를 관측하는 방식으로, 은하와 별, 행성과 성운 등 다양한 천체들을 연구할 것입니다. 쉰톈은 중국의 독자적인 우주 정거장과 같은 궤도를 돌며, 정기적으로 도킹하여 연료 공급과 정비를 받는 방식으로 관리될 것입니다.

허블 우주망원경과 다른 대형우주망원경들의 성능 차이

• 허블 우주망원경은 주로 가시광선과 근자외선, 근적외선 영역에서 우주를 관측합니다. 주 거울의 직경은 2.4m이고, 궤도 고도는 약 550km입니다. 허블 우주망원경은 우주의 기원과 구조, 팽창과 진화, 은하와 별, 행성과 성운 등 다양한 천체들을 관찰하고, 천체물리학적인 문제들을 해결하는 데에 크게 기여했습니다.
• 제임스 웹 우주망원경은 허블의 후속기로, 주로 적외선 영역에서 우주를 관측합니다. 주 거울의 직경은 6.5m이고, 궤도 고도는 약 150만km입니다. 제임스 웹 우주망원경은 최초의 별과 은하가 형성되는 모습이나 외계 행성들을 탐사하는 데에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
• 유클리드 우주망원경은 ESA가 주도하는 대형 적외선 우주 망원경으로, 주 거울의 직경은 1.2m이고, 궤도 고도는 약 150만km입니다. 유클리드 우주망원경은 암흑 에너지와 암흑 물질이 우주의 구조와 진화에 미치는 영향을 연구하는 데에 초점을 맞춥니다. 유클리드 우주망원경은 약 10억 개의 은하들을 관측하고, 그들의 거리와 형태를 측정하여, 우주의 팽창 속도와 기하학적인 성질을 파악할 것입니다.
• 쉰톈 (神眼)은 중국이 2024년에 발사할 예정인 대형 우주 망원경으로, 주 거울의 직경은 2m이고, 궤도 고도는 약 550km입니다. 쉰톈은 넓은 시야로 우주를 관측하는 방식으로, 은하와 별, 행성과 성운 등 다양한 천체들을 연구할 것입니다. 쉰톈은 중국의 독자적인 우주 정거장과 같은 궤도를 돌며, 정기적으로 도킹하여 연료 공급과 정비를 받는 방식으로 관리될 것입니다.

창조의 기둥 - 허블 우주 망원경(좌) 제임스웹 우주 망원경(우)

허블 우주망원경과 다른 대형우주망원경들의 성능 차이는 주 거울의 크기와 파장 범위, 궤도 고도와 위치, 관측 목적과 방식 등에 있음을 알 수 있습니다. 각각의 망원경은 서로 다른 장점과 한계를 가지고 있으며, 상호 보완적으로 우주를 탐험하는 데에 도움이 됩니다.

대형우주망원경들은 지상에서 사용하는 것보다 성능이 좋은 이유

• 대형우주망원경들은 지구 대기권 밖에 설치되어 있으므로, 지상의 망원경보다 더 선명하고 다양한 파장의 빛을 관측할 수 있습니다. 지구 대기권은 빛의 경로를 방해하고 이미지의 품질을 저하시키는 공기의 자연적인 난기류를 일으킵니다. 또한, 지구 대기권은 적외선과 자외선 등을 강하게 흡수하여, 이러한 파장의 빛을 관찰하기 어렵게 만듭니다.
• 대형우주망원경들은 주 거울의 크기가 크고 강력한 광학 망원경으로, 더 멀리 있는 천체나 더 어두운 천체를 관측할 수 있습니다. 주 거울의 크기가 클수록 더 많은 빛을 수집할 수 있으므로, 더 세밀하고 정확한 이미지를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 제임스 웹 우주망원경은 허블 우주망원경보다 주 거울의 직경이 2.7배나 큽니다.
• 대형우주망원경들은 궤도 고도와 위치가 다양하여, 다른 각도와 거리에서 우주를 관찰할 수 있습니다. 궤도 고도가 높을수록 지구의 중력과 방사선의 영향을 적게 받으므로, 더 안정적이고 오래 사용할 수 있습니다. 위치가 다르면, 다른 시간대와 시점에서 우주를 볼 수 있으므로, 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 유클리드 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경은 지구와 태양 사이에 있는 L2라는 특별한 점에 위치하여, 태양의 방해를 받지 않고 우주를 관찰합니다.

대형우주망원경들은 지상에서 사용하는 것보다 성능이 좋은 이유는 주로 지구 대기권의 영향을 받지 않고, 더 크고 강력한 광학 장비로, 다양한 파장과 각도에서 우주를 관찰할 수 있기 때문임을 알 수 있습니다.

결론

허블 우주 망원경은 우주 여행의 역사에 빛나는 존재입니다. 허블 우주 망원경은 우주의 신비와 아름다움을 담아내어 인류에게 새로운 시각과 지식을 제공했습니다. 허블 우주 망원경은 아직도 우주를 탐험하고 있으며, 앞으로도 더 많은 발견과 성과를 낼 것입니다. 허블 우주 망원경은 우리가 우주를 바라보는 새로운 시각을 열어준 창문이자, 우리의 꿈과 희망을 담은 친구입니다. 감사합니다. 😊

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