인공위성 망원경


세상에는 너무나도 많은 망원경이 있고 천문학자는 올려다 볼 하늘이 너무 넓은 것 같습니다. 그 많은 망원경 중에서 빛의 파장별로 나름대로 중요하다고 생각하는 망원경들을 정리했습니다. 글이 글어져 읽기 힘들 것 같아 색깔을 많이 썼는데 오히려 눈을 더 피곤하게 할 지도 모르겠네요. 그럼, 많은 도움이 되었으면 합니다.

#주의: 인공위성은 보통 몇 개 기관이 합동으로 일을 하지만 여기서는 대표적인 기관 하나만을 적었습니다.

1. [광학] 허블 우주 망원경(Hubble Space telescope)

    square02_orange.gif 홈페이지: http://www.stsci.edu/hst
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    기관: 미국 우주망원경 연구소(The Space Telescope Science Institute)
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    발사일: 1990년 4월 25일

[그림] : 지구 위의 허블 망원경
지구위의 허블 우주 망원경

1940년대부터 거슬러 올라가야겠다. 아마 파커(Parker)였던가 라이만 스피짜(Spitzar)였던가 둘 중에 한 명은 맞을 듯 싶다(스피짜가 맞다). 이 사람이 처음으로 우주 망원경의 아이디어를 내서 7, 80년대 들어서 비로소 설계와 제작이 이루어져 결국 90년에 발사되기에 이르렀다. 미항공 우주국(NASA)과 유럽 우주 기관(ESA)이 공동으로 이룬 작품이다. 지상 600km 높이에 떠 있있으면서 주경의 크기는 2.4m로 지상에서 아직까지 가장 큰 10m 켁 망원경에 비해서 작지만 대기의 영향이 없기 때문에 분해능이 월등하다. 지상에서의 분해능 한계는 보통 1.0" 남짓 하지만 허블 우주 망원경의 경우 0.1" 까지 내려간다.

처음 90년에 발사되었을 때 망원경은 많은 뉴스에도 나왔듯이 어이없게도 수차라는 결함이 발견되었다(정말 어이없는 게 엄청난 돈을 들이고도 아주 손쉬운 결함을 미리 발견하지 못했다는 것이다...) 해서 버릴 수도 없는 비싼 것이기 때문에 사람들이 우주로 날아가 93년에 A/S를 했다. 우주에서 A/S라니 이 또한 멋지다. 그렇게 이제는 제대로 작동을 하게 되어 엄청난 사진을 쏟아냈다. 정말 지상에서 볼 수 없는 엄청난 것이었다. 위 홈페이지에 가면 사진을 많이 볼 수도 있고, 우리 나라에서도 허블 망원경 영상집 비슷한 것이 나와있다. 우리과의 구본철, 이명균 선생님께서 쓰신 책으로 '허블 망원경으로 본 우주, 서울대학교 출판부" 라는 제목이다. 솔직히 인터넷에 널려 있는 많은 사진을 돈 주고 산다는 게 아깝게 느껴질 수도 있겠지만 책과 컴퓨터 영상은 분명 다르다고 생각한다.

[그림] : 허블 망원경 수리 전(왼쪽), 후(오른쪽) 은하 영상
허블 망원경 수리 전(왼쪽), 후(오른쪽) 영상

이 망원경에는 세 개의 카메라와 두 개의 분광기가 달려 있다. 그 첫 번째로, Wide Field/Planetary Camera 2가 있는데  우리가 흔히 보는 영상의 이미지 대부분이 바로 이 카메라로 촬영된 것이다. 물론 본래는 Wide Field/Planetary Camera 1이 본래 장착이 되어 있었으나 주경의 결함을 보정하기 위해 93년에 Wide Field/Planetary Camera 2 로 교체된 것이다. 허블 망원경 영상을 보면 이상한 점이 있는데 정사각형 사진이 아니라 아래 그림처럼 오른쪽 구석이 보통 비어 있는 걸 볼 수 있다. 귀찮아서 안 찍은 것이라 생각할 수도 있는데 그것이 아니라 카메라 자체가 그렇게 생겼다. 3개의 큰 Wide Field 카메라와 가운데 조그맣지만 고분해능의 행성 카메라가 한꺼번에 볼 수 있는 영역이 그렇게 구성이 되어 있어서 이런 영상을 얻는 것이다. 그래도 멋진 걸 어떡하나.. 

[그림] : 허블 망원경의 계단식 영상
허블 망원경의 계단식 영상

그리고 망원경 하면 위의 사진 찍는 것 하나만을 생각하기 쉬운데 돈을 들여 올린 망원경이니 한꺼번에 많은 일을 할 수 있도록 설계된 것은 당연하겠다. 해서 여러 가지 다른  기기들이 붙어 있는데 그 중에 하나가 우주 망원경 영상 분광기(Space Telescope Imaging Spectrograph)다. 한 마디로 분광기다. 분광기는 쉽게 빛을 퍼트려 보여주는 기기인데 햇빛을 무지개처럼 만드는 프리즘을 생각하면 쉽다. 무엇을 하러 퍼트리나? 물론 이유가 있다. 이런 분광기로 천체를 관측하면 그 천체의 화학 조성이나 온도, 속도, 자기장 등등을 알아낼 수 있다. 이 우주 망원경 영상 분광기는 자외선에서 적외선까지 받아들여 퍼트릴 수 있다.

또한 적외선 카메라(Near Infrared Camera)와 다천체분광기(Multi-Object Spectrometer)로 적외선 영상과 분광 관측을 하게 된다. 적외선 카메라는 온도가 매우 낮은 곳에서만 작동을 하기 때문에 액체 질소 같은 것을 이용하여 냉각을 꼭 해줘야만 한다. 영화에서 가끔 나오는 적외선 카메라로 사람을 찾을 수 있는 이유가 사람 몸이 따뜻해서 적외선이 무지 많이 나오기 때문이다. 자외선이 아니고 적외선이다. 아무튼 지상의 실온 정도의 온도를 가지고 있는 물체들은 적외선을 항상 내기 때문에 지상에서는 적외선 카메라가 제기능을 하기는 어렵다. 물론 지상에서도 외부에서 오는 이런 적외선들을 열심히 차단시키면서 기기를 작동시키기도 한다.

모든 망원경이 그렇듯이 허블망원경 역시 누구나 관측할 수 있는 것은 아니다. 쉽게 생각해서 사람들이 망원경을 쓰겠다고 원서를 내면 심사를 거쳐 통과한 사람만이 관측을 할 수 있는 것이다. 경쟁률이 10:1 이 될 정도로 허블 망원경 쓰기가 보통 쉬운 게 아니다. 그러면 나 같이 보잘 것 없는 학생들은 연구를 어떻게 하느냐? 높은 경쟁률을 뚫고 관측을 한 사람이 그 데이터를 1~2년 정도만 홀로 구워삶다가 그 이후가 되면 데이터가 인터넷에 공개가 되어 버린다. 해서 세월이 지난 데이터는 누구가 가져다 쓰면 되는 것이다. 연구 주제가 같지 않기 때문에 아이디어만 좋다면 이런 데이터로 좋은 논문을 쓸 수 있다. 우리 나라에서도 굉장히 많은 천문학자들이 이렇게 공개된 데이터를 이용해서 연구를 하고 있다.

이 허블 망원경은 멋진 영상으로 일반인들에게 천문학을 좀 더 알리게 한 공로로 공로상 정도 수여하면 좋지 않을까 하는데.. 상을 누가 받나?

2. [자외선] 원자외선 분광기(FIMS)와 은하 진화 탐사선(GALLEX)

2.1 원자외선 분광기(FIMS, Far-ultraviolet IMaging Spectrograph)

    square02_orange.gif 홈페이지: http://satrec.kaist.ac.kr
    square02_orange.gif 기관: 한국과학기술원 인공위성연구센터
    square02_orange.gif 발사일: 2003년 후반기

[그림] : 과학위성 1호 내 FIMS의 모습

      FIMS(Far-ultraviolet IMaging Spectrograph) 란?

    square02_orange.gif 2002년에 발사 예정인 과학 위성 1(우리별 4)에 실리게 되는 원자외선 분광기
    square02_orange.gif 천문관측과 우주 환경 관측을 동시에 수행하게 되는 국내 최초의 위성 탑재체

      과학적 임무

    square02_orange.gif 우주 공간 내 고온의 플라즈마에서 방출되는 광자를 관측함으로써 이들 입자의 기원과 분포를 밝힘
    square02_orange.gif 지구 약 극 지방에서 발생하는 오로라의 원자외선 방출 관측
    square02_orange.gif 상층 대기에서 방출되는 낮 대기광(day-glow)과 밤 대기광(night-glow)등을 관측

2.2 은하 진화 탐사선(Gallex, Galaxy Evolution Explorer)

    square02_orange.gif 홈페이지 : http://csaweb.yonsei.ac.kr
    square02_orange.gif 기관: 연세대학교 자외선 우주망원경연구단
    square02_orange.gif 발사일: 2003년 후반기

[그림] : 은하 진화 탐사선

      연구목표

    square02_orange.gif 미항공우주국(NASA)과 공동으로 은화진화탐사선(GALEX: Galaxy Evolution Explorer) 개발
    square02_orange.gif 현대우주론의 최대 난제인 '우주의 나이' 문제를 해결
    square02_orange.gif 우주관측 및 과학위성탑재체 개발기술을 축적

      연구의 의미

    square02_orange.gif 우리 나라와 NASA간의 첫 번째 공동연구
    square02_orange.gif 우리 나라가 참여하는 최초의 우주망원경 계획
    square02_orange.gif 우리측 연구자들의 연구 개발 능력이 국제적으로 인정 받고 참여하는 연구
    square02_orange.gif 우리측이 주도하는 구체적인 과학임무에 근거한 연구

      과학 목적 및 최신연구결과

우주는 언제, 어떻게 생성되었는가? 우주의 기원에 대한 물음은 인류의 역사와 함께 지속되어온 근원적인 질문이다. 과학기술부가 창의적연구진흥사업의 최우선 과제로 선정한 자외선우주망원경연구단은 연구단이 독자적으로 개발한 '자외선 은하연령 측정법'을 이용하여 우주의 나이 측정과 현대우주론의 뜨거운 쟁점인 우주상수의 진위 여부에 대한 연구에 박차를 가하고 있다.

위의 소개는 홈페이지에서 발췌해서 아주 간단히 정리했던 내용이다.. 솔직히 갈렉스에 대해서는 잘 모른다. 물론 FIMS도 잘 모르지만 대학 때 잠깐 드나든 적이 있었기 때문에 몇 마디 적어볼 까 한다. 위 두 위성은 우리나라에서 주도하는 최초의 천문 관측 위성이라는 데 공통점을 갖고 있다. 누가 더 먼저냐, 누가 더 낫냐 하는 질문은 영어의 표현을 빌리자면 useless하다. 암튼 둘다 훌륭하다.

내가 받은 인상으로는 갈렉스 위성이 과학적인 목적이 매우 뚜렷한 반면 과학위성 1호는 우리나라 기술력이라는 데 더 의미가 있는 것 같다. 암튼 우리 나라 천문학에 스타이신 이영욱 교수님(정확지는 않지만 국내에서 천문학 분야로 Nature에 논문을 실은 유일한 분이시다) 이 연세대학에 계시면서 은하의 나이를 측정하기 위한 도구로서 자외선 망원경을 이용하는 것 같다. 은하의 나이 측정은 우주의 나이를 제한하는 역할을 하기 때문에 중요한 의미를 가지고 있다. 과학 위성 1호의 경우 과학적인 뚜렷한 목표는 없어 보이기는 하지만(이렇게 얘기하면 선배님들이 무지 서운하겠지만 상갈렉스에 비해 상대적으로 그렇다는 말이다) 먼 훗날 세계에서 경쟁력 있는 국산 위성을 만들기 위한 우리나라의 첫발을 내디딘 작품이다. 그만큼 과기원의 인공위성 연구센터에 계신 분들은 우리나라에서 인공위성 기술을 갖추고 계신 유일한(?) 분들이다.

아, 자외선 위성의 필요성을 언급하자면 아래 그림에서도 보듯이 자외선은 대기에서 흡수가 일어나서 지상까지 도달하지 않기 때문에 위성으로밖에 관측할 수 없다. 화장품 선전에 UV 차단 등등이 나오는 것은 솔직히 큰 위협이 아니다. 물론 UV 차단을 하는 오존층이 파괴가 되어서 위협이 되기도 하지만 아직은 우리나라에서 걱정할 수준이 아닌 듯 싶다. 이상하게도 나라가 많은 지구의 북반구의 오존층에 비해 사람이 별로 살지도 않는 남반구의 오존층이 많이 파괴가 되어서 실제로 호주에 가면 정말 햇살이 따갑다. 

[그림] : 빛의 파장별 대기 투과도. 위쪽 그래프의 퍼센트가 높을수록 지상에서 관측하기 힘들다. 

 

3. [적외선] ASTRO-F

[그림] : ASTOR-F

과기원과 연세대학에서 위성을 갖고 있다면 서울대학교 천문학과는 무엇을 하고 있는 것일까? 물론 있다. 이제 소개할 ASTRO-F 라는 위성이다. 물론 서울대에서 주도하는 사업도 아니고 위성을 직접 제작하는 것도 아니다. 이름을 빌리자면 공동연구란다. 아무튼 이 위성은 일본의 우주항공 연구소에서 일을 벌인 사업이다.

가장 특징이라면 앞서 언급했듯이 여러 방해 때문에 적외선은 지상에서 관측하기가 매우 힘들다. 그런데 천문학에서 광학을 이용하면 별빛이 오다가 먼지에 다 흡수가 되어서 가스와 먼지가 많은 곳, 즉 별이 태어나는 곳 등등은 자세히 살펴볼 수 없었다. 마치 우리가 스모그 때문에 볼 수 있는 거리가 줄어드는 것과 같은 이치이다. 물론 적외선 파장은 먼지에 흡수가 적어서 그런 곳을 잘 살펴볼 수 있다는 것이다.

별이 어떻게 태어나는 가, 이 얼마나 중요한 문제인가? 따라서 적외선 관측을 할 수 있는 위성이 필요한 것은 당연하겠고, 베일에 쌓인 하늘의 구석 구석을 들여다 보는 만큼 많은 업적을 낼 수 있었을 것이다. 그 최초가 ASTRO-F라는 것이 아니라 이미 예전에 IRAS라는 위성이 바로 이런 역할을 톡톡히 해 냈다. 그러나 항상 사람 욕심이 그렇듯 IRAS 수명이 다하면서 좀더 좋은 망원경을 원하기 마련이다. 해서 일본이 super IRAS라고 애칭 짓는 이 ASTRO-F 위성을 만들 게 된 것이다. 여기서 F는 위성마다 순서대로(?) 붙이는 알파벳 중 하나이다. 이 외에도 많은 이름이 있지만서도 일본이 만든 위성 수는 우리나라와 함부로 비교하면 안 될 것이다.

암튼 이 위성에는 70cm 망원경이 붙어 있고 원적외선을 하늘을 훑기 위한 FIS(Far-Infrared Surveyor) 장치와 고분해능을 가지고 특정한 천체를 관측하기 위한 IRC(Infrared Camera) 장치가 장착되어 있다. 이런 장치들로 은하의 진화, 별과 행성의 형성, 그리고 갈색 왜성과 암흑 물질간의 관계 등등의 과학적 목적을 가지고 있다. 암튼 기대가 많이 되는 작품이다.

4. [X-선] 찬드라(Chandra)

    square02_orange.gif 홈페이지: http://chandra.harvard.edu
    square02_orange.gif 기관: 미국 하버드-스미소니안 천체물리센터(
    Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)
    square02_orange.gif 발사일: 1999년 7월 23일

[그림] : 찬드라 X-선 망원경

자연과학을 전공하는 사람은 누구나 노벨상의 꿈을 품고 있다. 그러나 천문학은 직접적인 노벨상 분야에 들지 않지만 가끔(아주 가끔) 물리학상에 포함되기도 한다. 그래서 천문학을 전공하는 사람이 노벨상을 타기 위해서는 세 가지 방법이 있다고 한다. 첫 번째 그저 열심히 무수히 많은 논문을 쓰는 것, 두 번째 굉장히 물리학적인 연구를 하는 것, 세 번째 아주 훌륭한 대학원생을 제자로 받아들이는 것... 듣고보면 별 특별한 소리는 없는 듯 하다.

아무튼 올 2002년에 노벨 물리학상은 천문학 분야가 모두 독차지 했다. 중성미자 검출에 공을 세운 두 명과 바로 이사람, Riccardo Giacconi... 이 지아코니(?)는 X-선 천문학의 아버지라고 불리는데, 이 사람의 제안으로 처음으로 X-선 위성이 만들어지는 등 고에너지 천문학에 많은 공을 세우셨다. 해서 위의 찬드라 위성 홈페이지에 가보면 지아코니의 노벨상 수상에 감동(thrilled)받았다는 표현이 적혀있다(thrilled면 아마도 이제는 X-선 천문학으로 노벨상 탈 일이 없어서 위협(thrilled)받았다는 말일수도...)

찬드라 위성은 지구와 달 사이의 1/3되는 지점보다도 멀리 있다. 지구와 달 사이의 거리가 38만 5천 km 정도 되니까 대충 지상 13만 km 높이에 떠 있다고 할 수 있겠는데 이것은 허블 망원경보다 200배나 높이 있는 것이다. 위의 그림에서 마찬가지로 X-선 대기에 흡수가 되기 때문에 위성이 꼭 필요하다. X-선 위성의 가장 큰 특징은 보통 망원경과 생김새가 매우 다르다는 것이다. 아래 그림에서 보듯이 망원경의 거울이 중앙에 놓여 있는 게 아니라 옆면에 있어서 X-선을 조금씩 휘게해서 중심의 검출기에 들어가게 한다. 이것은 X-선이 거울이 막고 있으면 반사되는 게 아니라 총알이 벽을 뚫고 지나가는 것처럼 뚫고 지나가기 때문에 보통의 반사 망원경과 같은 거울을 가질 수 없다. 암튼 중심의 검출기에서 들어온 X-선의 위치와 에너지, 갯수, 시간 등을 측정해서 망원경 역할을 하는 것이다.

[그림] : 찬드라 X-선 망원경의 내부 구조. 보통 망원경과 사뭇 다르다.

X-선 천문학은 천문학의 여러 분야에서 유용할 수 있겠지만 특히 블랙홀과 관련이 많이 있다. 블랙홀은 빛조차 빨아들이기 때문에 말그대로 어떤 파장의 망원경으로도 볼 수 없다. 다만 그 주변에 물질들이 블랙홀로 빨려 들여가면서 굉장히 높은 에너지를 내기 때문에 그것을 검출함으로서 블랙홀의 존재 여부를 판단할 수 있다. 해서 X-선을 검출하는 곳이라면 블랙홀이 있을 가능성이 높다. 가끔 블랙홀을 직접적인 관측 증거가 나왔다는 얘기가 들리지만 아직까지는 별로 믿을 만한 소리가 아닌 것 같다. 암튼 빨리 블래홀을 봤으면(?) 하는 소망이 있다.

 


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