▲ 종이신문보기

136억년 전 '최초의 별' 탐색… '제2의 지구'도 찾을까요

인류의 새로운 눈으로 불리는 '제임스 웹 우주 망원경(JWST·이하 제임스 웹)'이 지난달 25일 크리스마스에 발사됐어요. 프랑스령 남미 기아나 유럽우주센터에서 아리안 5호 로켓에 실려 우주로 떠났죠. 우주의 기원을 밝히고 외계 행성에 사는 다른 생명체를 찾기 위해서예요. 제임스 웹은 지구에서 약 150만㎞ 떨어진 목표 지점으로 약 한 달간 이동해요. 이곳에서 약 10년간 최초의 우주 망원경인 기존 허블 우주 망원경보다 100배 뛰어난 성능으로 136억년 이전 초기 우주를 살펴보게 되죠. 그렇다면 제임스 웹은 어떤 방법으로 임무를 수행하게 될까요?

우주 최초의 별을 찾아라

제임스 웹의 임무 중 하나는 우주 최초의 별을 찾는 거예요. 천문학자들은 약 138억년 전 빅뱅(대폭발)으로 우주가 태어났다고 보고 있어요. 그리고 빅뱅 이후 약 1억년 뒤 우주 최초의 별이 탄생했다고 추정해요. 이 별을 '우주의 새벽'이라고 부르죠.

현재 인류가 발견한 별 중 가장 오래된 별은 약 136억년 전쯤 탄생했어요. 이 별(SMSS J031300.36-670839.3·이하 SMSS)은 2014년 호주국립대의 스테판 켈러 교수 팀이 찾아냈어요. 지구에서 약 6000광년 떨어진 곳에 있던 별의 흔적을 지상에서 스카이매퍼 망원경을 통해 알아냈죠. 1광년은 약 9조5000억㎞이니 어마어마하게 먼 거리에 있었던 거죠.

켈러 교수 팀은 이 별의 탄생 시기를 철의 함유량을 통해 알아냈어요. 빅뱅으로 탄생한 초기 우주는 수소 가스와 약간의 헬륨 가스로 가득했어요. 시간이 지나며 중력에 의해 가스가 모이면서 밀도가 높아졌죠. 그러면서 가스가 붕괴했어요. 이곳에서 첫 세대의 별들이 형성됐다고 해요. 우주 형성 초기에 만들어진 별들은 수소 가스와 헬륨 가스의 가벼운 원소로만 이뤄졌어요.

지금의 철(Fe) 같은 무거운 금속 원소들은 별 안에서 핵융합 반응이 발생하거나 수명을 다한 별이 초신성 폭발을 일으키며 생겼어요. 시간이 흐른 뒤 만들어진 거예요. 그러니 우주에서 나중에 생성된 별일수록 무거운 원소가 더 많이 들어있겠죠. SMSS에는 철 성분을 비롯한 금속 성분이 없었어요. 철이 없다는 건 아득한 옛날에 만들어졌다는 증거죠.

과학자들은 SMSS가 빅뱅 직후 생긴 1세대 별의 잔해에서 만들어졌다고 추정하고 있어요. 2세대 별이라는 거죠. 1세대 별은 초신성 폭발을 일으켜 별의 원료를 제공한 뒤 사라졌기 때문에 관측이 쉽지 않아요. 제임스 웹이 찾으려는 것은 1세대 별이에요. 최초의 별이 빅뱅과 우주 시작 시점에 있었던 일을 밝혀줄 수 있기 때문이에요.

우주먼지에 가려져 안 보이는 적외선까지 관측

제임스 웹은 관찰할 수 있는 빛의 범위가 넓어요. 가시광선뿐 아니라 성운과 우주먼지에 가려 보이지 않는 적외선까지 관측할 수 있어요. 먼 우주에서 오는 전파는 점차 파장이 길어져 적외선으로 바뀌어요. 가시광선은 성운과 우주먼지를 통과하기 어렵지만, 파장이 긴 적외선은 이를 통과할 수 있죠. 그래서 가시광선을 주로 감지하는 허블 망원경보다 넓은 영역을 볼 수 있어요.

미 항공우주국(NASA)은 제임스 웹이 136억 광년 바깥 은하의 적외선을 수집할 수 있을 것으로 기대하고 있어요. 그러면 지금까지의 우주 망원경이 관측하지 못한 우주 생성 직후의 모습을 관찰할 수 있어요.

제임스 웹은 빛을 모으는 능력도 뛰어나요. 반사경의 크기가 크기 때문이에요. 빛을 모으는 능력은 오목거울인 반사경 크기에 좌우돼요. 제임스 웹 반사경의 지름은 허블 망원경(2.4m)의 2.7배인 6.5m로 면적도 6배 커요. 이 반사경을 이용하면 맨눈으로 볼 때보다 물체를 100만배 확대해서 볼 수 있어요.

이 정도 크기의 반사경은 너무 커서 통째로 로켓에 실을 수 없어요. 그래서 육각형 거울 18개를 벌집 모양으로 이어 붙여 만들었어요. 접힐 수 있도록 만든 뒤 3등분으로 접은 거예요. 이 거울은 로켓 안에 접힌 채로 쏘아 올려지고, 우주에서 여러 단계를 거쳐 펼쳐지도록 설계됐어요. 궤도에 도착하면 거울을 정렬하고 시험 관측을 하게 돼요. 이런 준비 기간에만 6개월이 걸려요. 그러니 제임스 웹은 오는 6월 이후에나 정식 관측을 시작할 거예요.

생명체 존재하는 외계 행성 찾기

제임스 웹의 또 다른 임무는 생명체가 존재하는 외계 행성을 찾는 거예요. 인류가 이주할 수 있는 '제 2의 지구'를 찾기 위해서죠. 현재까지 태양계 밖에서 확인된 외계 행성은 4000개에 달해요. 하지만 인류가 살 수 있을 정도의 온도에, 물이 액체 상태로 존재하고 지구처럼 암석으로 이뤄진 행성은 수십 개밖에 없어요. 그마저도 대부분 지구에서 300~3000광년만큼 멀리 떨어져 있어요.

제임스 웹은 특수 카메라에 결합된 분광기로 외계 행성의 대기를 분석해 외계 생명체를 찾을 예정이에요. 이 특수 분광기는 물·일산화탄소·이산화탄소·산소·메탄을 감지할 수 있죠. 이런 성분이 발견된다고 생명체가 반드시 존재한다는 건 아니지만 외계 행성 대기에 산소가 대량으로 발견되면 생명체가 존재할 수 있다고 짐작할 수 있어요. 또 화합물인 프레온가스처럼 자연적으로 만들어질 수 없는 성분이 있다면 생명체가 문명 활동을 하고 있다는 증거로 볼 수도 있고요. 이번 발사로 NASA는 2020년대가 지나기 전 지구에서 가까운 외계 행성을 찾아 외계 생명체가 있다는 획기적인 발표가 나올 수도 있다고 보고 있답니다.

[제임스 웹은 어디로 이동할까요]

지구를 떠난 제임스 웹은 약 한 달간 '라그랑주 L2' 지점으로 이동하게 됩니다. 이곳은 중력이 미치지 않는 안정된 지점이에요. 태양·지구가 물체를 끌어당기는 힘(중력)과 물체가 태양 주위를 돌며 밖으로 벗어나려는 힘(원심력)이 서로 상쇄되기 때문이죠. 덕분에 궤도를 돌면서 관측하려는 천체를 안정적으로 들여다볼 수 있죠.

특히 태양이 항상 지구 뒤에 가려져 햇빛의 방해도 거의 받지 않아요. 그래서 먼 우주까지 관찰할 수 있어요. 다만 태양빛과 지구의 복사열은 견뎌야 해요. 그래서 제임스 웹은 태양과 지구를 등지고 관측을 하게 되죠. 적외선 망원경인 제임스 웹은 섭씨 영하 233도의 극저온 상태라야 성능이 최적화돼요. 그런데 제임스 웹처럼 태양을 등지고 한 장소에 계속 머물러 있으면 한쪽의 온도가 급속히 올라가요. 이 때문에 과학자들은 5겹으로 이뤄진 필름 차양막을 이용해 태양으로부터 밀려오는 열을 600도 이상 떨어뜨렸답니다.

[그래픽] 인류의 새로운 눈으로 불리는 우주망원경 / 반사경 펼쳐지는데 2주 걸려요 기고자 : 김형자 과학칼럼니스트
장르 : 고정물
본문자수 : 3302
표/그림/사진 유무 : 있음
웹편집 : 보기