허블 우주망원경의 업적 그리고 천문학의 새로운 역사의 시작, 제임스 웹 우주망원경
강성주 / 국립과천과학관
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조선 시대 가장 존경받는 정승이 누구인지 물어보면 누구나 이견 없이 황희 정승을 꼽을 것이다. 황희는 현재의 국무총리 역할인 조선 시대 정승이었던 좌의정, 우의정, 영의정을 무려 25년 가까이 수행하였다. 단지 오래 정승에 머무른 것만으로는 존경을 받을 수는 없는 일이다. 태종과 세종의 곁에서 조선 초기 나라의 기틀을 잡고 오래 번영 할 수 있도록 왕을 잘 보좌하여 나라의 기반을 튼튼하게 한 역할이 크기 때문에 현재 가장 존경받는 정승이라고 부를 수 있는 것이다. 이렇게 조선 시대 명재상으로 이름을 남긴 황희 정승처럼 우주망원경에도 황희 정승과 같은 존재가 있다. 누구나 한 번쯤은 들어봤을 만한 그 이름, 바로 허블 우주망원경이다. 1990년 발사 이래로, 많은 위기 상황을 극복하며 현재까지도 우리에게 우주의 아름다움과 경이로움을 전달해주고 있으며 우주에 대한 인식과 시야를 넓혀주고 있다.

허블 우주망원경은 1990년 4월 24일 우주왕복선 디스커버리호에 실려, 우주로 나간 후 5월부터 처음으로 관측된 이미지를 지구에 전송하였다. 우주에서 전송될 선명하고 아름다운 사진을 기대했던 과학자들에게 아주 놀라운 사진이 한 장이 전송된다 (그림1).


그림1. 허블 우주망원경이 보낸 첫 번째 이미지 중 하나인 M100 은하의 모습, 구면수차로 인한 초점이 맞지 않아 매우 흐릿한 사진(왼쪽)과 구면수차 문제를 해결 후 뚜렷한 은하의 모습(가운데)을 확인할 수 있다. 오른쪽 사진은 2009년 업그레이드된 카메라인 Wide Field Camera 3으로 촬영한 M100 은하의 모습 (image credit: NASA) 

아주 흐릿한, 마치 눈이 나쁜 사람이 안경을 쓰지 않은 상태로 물체를 보는 것과 같이 허블 우주망원경이 보내온 이미지는 초점이 맞지 않았다. 허블 우주망원경의 주경이 구형에 가깝지만 아주 약간의 타원 모양으로 깎여야 함에도 한 치의 오차도 없는 완전 구형으로 제작되면서 구면수차(반사경 또는 렌즈의 굴절면으로 들어오는 빛이 구면으로 된 거울, 또는 렌즈를 통과할 때, 완벽하게 초점에 모이지 못해 상이 흐려지는 현상)가 생겨 오히려 문제가 되었다. 이렇게 허블망원경의 시작은 모든 사람의 기대와 달리 시작부터 난관의 연속이었다.

과학자들은 당황했지만 방법을 찾아야 했다. 허블 우주망원경을 다시 지구로 수거하여 수리하거나 우주에서 거울을 미세하게 연마하는 작업은 현실적이지 못했기에 선택사항이 될 수 없었다. 또한, 2.4m나 되는 주경을 다시 제작하여 우주로 올려보낸다고 하더라도 구조적으로 교체를 할 수 없었다. NASA의 과학자들과 엔지니어들은 이후 무려 3년간 해결책을 찾았고, 최종적으로 마치 근시나 원시인 사람이 안경을 통해 시력을 교정하듯, 구면수차로 인한 오차가 생기는 양만큼 반대로 오차가 생기도록 새로운 광학 부품을 제작해 설치하고 나서야 허블 우주망원경은 모든 과학자가 기대했던 아름답고 선명한 우주의 모습들을 보내오기 시작했다. 이후 5번에 걸쳐서 우주왕복선을 이용해 허블 우주망원경의 수리와 업그레이드를 진행하였고, 그 결과 예상했던 수명인 15년의 두 배를 넘긴 현재까지도 숱한 어려움을 뚫고 훌륭한 관측 장비로 그리고 천문학을 대표하는 아이콘으로 건재 중이다. 누구나 한 번쯤은 봤을 만한 아름다운 천체의 이미지들은 거의 모두 이 허블 우주망원경의 작품이라고 해도 과언이 아니다.

허블 우주망원경이 지난 30년간 심우주 관측을 통해 축적한 자료는 그 이름에 걸맞게 초기우주에 생성된 은하와 초신성 관측을 통해 팽창우주론을 뒷받침하는 확고한 증거를 보여주었다. 또한 허블 우주망원경이 우주로 올라가기 전까지 우주 팽창의 정도를 나타내는 허블 상수의 오차는 50%에 가까울 정도로 매우 컸지만 처녀자리 은하단 관측을 통해 그 오차를 10% 내외로 현저하게 줄이는 데 공헌을 하였다. 그리고 그동안 잘 알려지지 않았던 희귀한 천체들을 관측하는 데 성공하여 비교적 최근인 2019년에는 천문 역사상 가장 밝은 퀘이사(Quasar)도 발견했다. 이 퀘이사는 ‘J043947.08+163415.7’로 그 밝기가 무려 태양의 600조 배가 넘는다. 

허블 우주망원경이 이루어 낸 수많은 발견 중 가장 위대한 발견을 꼽으라면 블랙홀의 존재를 증명한 M87의 제트분출과 우주의 광활함과 은하에 대한 인식을 한 단계 도약시켰던 허블 울트라 딥 필드(The Hubble Ultra Deep Fields) 사진일 것이다. 허블 우주망원경은 강력한 전파 신호를 방출하며 블랙홀이 존재할 것이라고 여겨지는 M87의 중심부를 촬영하는 데 성공하였고, 중심부로부터 빛의 속도에 가까운 속도로 하전입자들을 방출하는 제트를 관측함으로써 초거대 질량 블랙홀이 존재한다는 강력한 간접적인 증거를 보여주었다. 이는 2019년 사건지평선 망원경(Event Horizon Telescope)을 통해 블랙홀의 모습을 촬영 성공의 기반을 마련하는 계기가 되었다. 또한 허블 우주망원경은 아무것도 보이지 않는 그저 까맣게 텅 빈 보름달보다도 몇 배 작은 남쪽 하늘에서 오는 빛을 넉 달이 넘는 기간 동안 꾸준히 모았다. 그 결과 아무것도 없을 것으로 여겨졌던 이 작은 암흑 속에서 1만여 개의 은하들의 모습을 확인할 수 있었다. 이렇게 얻어진 허블 울트라 딥 필드(The Hubble Ultra Deep Fields)는 허블 우주망원경의 초기 목표였던 우주의 나이와 크기에 대한 비밀과 동시에 우주 초기 은하들의 모습을 보여줌으로써 우주의 광활함에 대한 인식을 다시 한번 전환해 줌과 동시에 과거를 향한 위대한 도약을 할 수 있는 기틀을 마련해 주었다.


그림2. 허블 우주 망원경이 촬영한 M87은하에서 방출되는 강력한 제트의 모습(위쪽)과 허블 울트라 딥 필드 이미지(아래쪽)