창고 속 첩보위성, 로만 망원경으로 부활

로만 망원경은 숲 전체를 한 번에 담는 풍경 사진에, 허블과 제임스 웹은 특정 대상을 정밀하게 관측하는 역할에 각각 특화되어 있다. 천문학자들은 각 망원경의 고유한 임무를 버스, 스포츠카, 자가용 같은 도구의 차이에 빗대어 설명한다.

로만 망원경은 숲 전체를 한 번에 훑어보는 '풍경 사진' 촬영에 특화되어 있으며, 광활한 우주 영역을 넓은 시야로 관측하는 데 중점을 둔다.

반면 허블 우주망원경이나 제임스 웹 우주망원경은 숲 속의 특정 새를 관찰하듯, 좁은 영역의 특정 대상을 깊고 정밀하게 관측하는 역할을 맡는다.

지상 망원경으로 별을 관측할 때 별빛이 반짝거리는 현상은 별과 관측자 사이의 대기가 끊임없이 움직이면서 별빛을 산란시키기 때문이다.

우주 망원경은 이러한 대기 산란 효과가 없어 별빛이 왜곡되지 않고 직진하여 해상도가 근본적으로 뛰어나다.

L2 지점은 지구 공전과 함께 이동하며 태양의 영향이 적어 우주 관측에 유리한 환경을 제공한다. 지구에서 약 150만 km 떨어진 L1부터 L5까지의 라그랑주 점들은 태양과 지구의 인력이 평형을 이루어 인공위성이 최소한의 연료로 안정적인 궤도를 유지할 수 있는 장소다.

로만 망원경이 배치되는 L2 지점은 지구 공전과 함께 이동하며 태양의 영향을 덜 받아 우주 관측에 유리하다. 이 지점은 지구에서 약 150만 km 떨어져 있으며, 망원경이 도착하는 데 약 3개월이 소요된다.

당초 10년 운영을 목표로 설계된 로만 망원경은 발사 및 궤도 투입 과정에서 예상보다 연료를 적게 소모했다.

첫 번째 자세 제어와 궤도 진입 과정에서 연료가 절약되어, 현재 남은 연료량을 실시간으로 계산한 결과 운영 가능 기간이 10년에서 22년으로 두 배 이상 늘어났다.

낸시 그레이스 로만은 1959년 NASA 최초의 여성 임원이자 수석 천문학자로, 지상 망원경 중심 시대에 우주 망원경의 필요성을 강력히 주장하며 설득했다.

그녀는 허블 우주망원경 사업의 예산을 확보하고 프로젝트를 성사시키는 데 결정적인 역할을 하여 '허블의 어머니'라는 별명을 얻었다.

기존에는 허블의 법칙으로 알려졌던 우주 팽창의 발견에 대해, 최근 천문학계는 조르주 르메트르 신부의 선구적인 기여를 인정하고 있다.

르메트르 신부는 빅뱅 우주론의 시초가 되는 이론을 제시했으나 오랫동안 그의 공로가 제대로 평가받지 못했으며, 현재는 교과서에서도 '허블 르메트르 법칙'으로 명칭이 변경되었다.

나사(NASA)는 우주 프로젝트 발사 성공 후 유명인의 이름을 따서 프로젝트명을 변경하는 관행을 가지고 있다.

이는 천문학자 이름이 점차 고갈되면서 나사 전직 직원들의 이름을 선택하는 경향으로 이어지고 있으며, 의회의 예산 심의를 고려한 나사 중심의 브랜딩 전략의 일환이다.

미국 의회에서 예산을 확보하기 위해 나사 관련 인물의 이름을 붙여 대중과 의회의 지지를 얻으려는 의도가 담겨 있다.

미국 국가정찰국(NRO)은 불용 처리된 우주 망원경 거울 두 개를 나사(NASA)에 기증했다.

이 거울은 허블 우주망원경보다 뛰어난 성능을 가진 정찰용 거울로, 천문학 연구용으로 전환되어 예산 절감과 연구 효율성 극대화를 이룬 이례적인 사례로 평가받는다.

나사(NASA)는 미국 국가정찰국(NRO)으로부터 2.4m 크기의 우주 망원경 거울을 무상으로 기증받았다.

이는 정부의 비밀 예산이 투입된 첩보위성용 여분 부품을 활용한 사례로, 거울 제작에 필요한 막대한 비용과 시간을 절감하는 효과를 가져왔다.

우주 망원경 거울은 마이크로미터(10의 -6승)보다 더 정밀한 표면 가공 기술이 필수적이다.

거울의 표면 정밀도가 낮으면 별빛이 찌그러지거나 이상한 패턴으로 나타나 관측 결과에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

또한 온도 변화에 따른 소재의 팽창과 수축은 상의 초점을 흐리게 하여 사진의 선명도를 저하시킬 수 있다.

제임스 웹 우주 망원경은 개발에 약 13조 원의 예산이 소요된 초고가 프로젝트로, 이는 한국 과학 기술 예산 약 35~40조 원의 3분의 1에 달하는 막대한 규모이다.

로만 망원경은 허블과 동일한 2.4m 구경을 가지고 있으나, 넓은 영역을 한 번에 관측하는 데 최적화된 설계를 특징으로 한다.

따라서 제임스 웹이 특정 천체를 정밀하게 탐사하는 역할이라면, 로만은 광범위한 우주를 탐색하여 새로운 대상을 찾아내는 역할을 수행한다.

허블 우주망원경은 주경과 부경을 거쳐 검출기로 가는 2단계 반사 방식을 사용하여 주로 중심부의 상을 촬영한다.

하지만 로만 망원경은 여러 개의 거울을 추가로 배치하여 중심부뿐만 아니라 외곽부의 상까지 정밀하게 보정하는 광학계 설계를 적용했다.

과거에는 검출기 가격이 비싸 중심부 관측에 집중했으나, 기술 발전으로 넓은 화각을 처리하는 기술과 센서가 개발되면서 로만처럼 넓게 관측하는 것이 가능해졌다.

기존 허블 망원경과 달리 로만 망원경은 설계 단계부터 넓은 영역을 한꺼번에 촬영하는 데 최적화했다. 2.5m 주경을 탑재하고도 바깥쪽 상까지 선명하게 맺히도록 보정 광학계를 갖췄으며, 파장에 따른 초점 오차인 색수차를 보정해 이미지의 정밀도를 확보했다.

따라서 2.5m 주경을 사용하더라도 바깥쪽 영역의 상까지 선명하게 맺히도록 보정 광학계를 추가하였으며, 이를 통해 색수차 등 파장에 따른 초점 오차를 보정하여 사진의 전반적인 선명도를 확보한다.

허블 망원경은 중심부 관측에 집중하여 주변부의 상이 다소 왜곡되더라도 이를 감수하는 설계를 채택했다.

반면 로만 망원경은 보정 광학계를 추가하여 관측 범위를 넓혔고, 검출기 가격 하락으로 많은 수의 검출기를 한 번에 배치할 수 있게 되어 넓은 시야에서도 선명한 이미지를 얻을 수 있다.

망원경 내부의 부경과 지지대가 빛을 가리지만, 이는 초점이 맞지 않아 최종 관측 결과물에는 나타나지 않는다.

이는 마치 눈앞에 있는 속눈썹이 평소에는 잘 인식되지 않다가 의식적으로 신경 써서 볼 때만 보이는 것과 같은 원리로, 가려짐으로 인해 총 광량은 약간 줄어들 수 있다.

안드로메다 은하를 기준으로 볼 때, 허블 망원경은 전체 은하를 촬영하기 위해 여러 번 나누어 찍어야 한다.

하지만 로만 망원경은 한 번의 촬영으로 안드로메다 은하 전체를 담을 수 있으며, 달과 같은 큰 천체도 한 번에 촬영이 가능하다.