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[사이언스] 제임스 웹 우주 망원경의 궤도가 이상하다?

최종 궤도에 무사히 안착, 그런데 아무것도 없는 텅 빈 허공 주변을 맴도는 이유

2022.01.31(Mon) 10:14:24

[비즈한국] 작년 크리스마스에 제임스 웹 우주 망원경이 지구를 떠났다. 딱 한 달이 지난 지금 드디어 최종 궤도, 라그랑주 2(L2) 포인트에 도착했다! 이 한 달 동안 태양빛 가림막을 펼치고 주경과 부경 거울을 모두 펼치는 까다로운 과정도 무사히 진행했다. 거울의 배열과 초점을 맞추는 일이 남아 있지만, 이제 제임스 웹은 예정 궤도에서 흐릿하게나마 사진 촬영 자체는 가능한 상태가 되었다. 우주 망원경의 최소 조건은 모두 갖춘 셈이라 할 수 있다. 

 

태양 주변을 도는 지구, 달, 그리고 제임스 웹 우주 망원경의 궤도. 사진=NASA/STScI


제임스 웹 우주 망원경이 도착한 태양-지구 L2 포인트는 지구에서 약 150만 km나 떨어졌다. 지구-달 사이 거리의 네 배다. 이렇게 먼 곳을 불과 한 달 만에 도착했다. 이제 제임스 웹은 L2 포인트를 중심으로 크게 찌그러진 타원을 그리며 궤도를 돌게 된다. 이 궤도가 이상하게 보일지 모른다. 우리가 보통 생각하는 인공위성, 탐사선은 지구나 달, 행성과 같이 강한 중력으로 주변에 무언가를 붙잡을 수 있는 질량 덩어리 곁을 맴도는 모습이다. 그런데 제임스 웹이 맴돌게 될 L2 포인트는 아무것도 없는 그저 텅 빈 허공, 가상의 점에 불과하다. 그래서 얼핏 제임스 웹은 붙잡아주는 것도 없는 텅 빈 허공 주변을 빙글빙글 도는 것처럼 보인다. 

 

이 신기한 궤도는 아주 교묘한 역학의 마법이라 할 수 있다. 제임스 웹뿐 아니라 앞서 우주로 날아간 다양한 탐사선들 역시 이 궤도를 영리하게 활용했다. 과연 L2 포인트는 어떤 마법을 부리는 것일까? 

 

라그랑주 포인트는 역학의 마법이다. 과연 이곳에 도착한 탐사선들은 어떻게 될까? 왜 이곳에 머무는 것일까?

 

제임스 웹은 빠르게 팽창하고 있는 우주 끝자락의 희미한 빛을 관측하게 된다. 우주가 팽창하면서 날아오는 빛의 파장도 늘어나는 시공간과 함께 빠르게 늘어난다. 그래서 초기 우주의 빛들은 지구에서 봤을 때는 이미 파장이 길게 늘어난 적외선으로 관측된다. 또 적외선은 파장이 긴 덕분에 우주 먼지들 사이를 여유롭게 비집고 통과한다. 그래서 짙은 먼지 구름 속에서 탄생하며 숨어 있는 어린 별들과 행성의 흔적 역시 적외선 관측을 통해 들춰낼 수 있다. 이런 장점 덕분에 이번 제임스 웹 우주 망원경은 적외선 파장대의 빛을 주로 관측한다. 

 

하지만 적외선 관측은 훨씬 까다롭다. 온도를 가진 모든 물체는 적외선을 방출하기 때문이다. 눈에는 보이지 않지만 우리 몸, 컴퓨터, 스마트폰, 지구의 땅조차 막대한 적외선을 지금 이 순간에도 방출하고 있다. 따라서 단순히 허블 망원경처럼 지구 곁에 바짝 붙어 맴도는 궤도를 그린다면, 지구 자체에서 뿜어져 나오는 막대한 적외선으로 인해 정작 관측해야 할 먼 우주의 희미한 적외선을 볼 수 없게 된다. 그래서 가까운 적외선 방출원인 태양과 지구로부터 가능한 멀리 도망갈 필요가 있다. 

 

그렇다고 무턱대고 멀리 도망갈 수도 없다. 너무 거리가 멀어지면 지구와 신호를 주고받기 더 어려워지기 때문이다. 지구 자체도 태양 주변을 맴돌고 있기 때문에 지구에서 보이는 하늘의 방향, 시야 역시 계속 바뀌게 된다. 따라서 너무 가깝지도 너무 멀지도 않은 거리에서, 계속 지구에서 고정된 방향에 두고 우주 망원경과 신호를 주고받을 수 있는 절묘한 자리를 찾아야 한다. 그곳이 바로 라그랑주 포인트다. 

 

태양의 강한 중력에 붙잡혀 주변의 작은 물체들이 궤도를 돈다. 태양에서 거리가 멀어질수록 그만큼 태양에서 느끼는 중력이 약해지기 때문에 궤도를 도는 속도가 느려지고 주기가 더 길어진다. 이제 태양 주변을 지구가 맴도는 상황을 생각해보자. 

 

태양과 지구 사이에 작은 탐사선이 하나 있다. 지구보다 태양에 더 바짝 붙어 있기 때문에 더 짧은 주기로 태양 주변을 맴돌아야 한다. 그런데 탐사선은 태양의 중력뿐 아니라 반대 방향으로 잡아당기는 지구의 중력도 느낀다. 결국 순수한 태양만의 중력에서 반대로 잡아당기는 지구의 중력만큼 전체 느끼는 힘이 줄어든다. 그래서 태양이 잡아당기는 힘을 조금 더 약하게 느끼면서 좀 더 느린 속도로 긴 주기로 맴돌게 된다. 적당한 위치에 놓인다면 그 늘어난 주기가 정확하게 지구의 공전 주기와 같게 된다. 그래서 계속 태양과 지구 사이에 한 자리에 고정된 채 지구와 같은 주기로 맴돌게 된다. 이 지점을 라그랑주 1, L1 포인트라고 한다. 

 

이 자리는 지구의 방해 없이 계속 태양을 바로 볼 수 있는 좋은 자리다. 그래서 실시간으로 태양 활동을 모니터링하는 태양 관측 망원경들이 많이 찾는다. 1995년 발사되어 지금까지도 계속 태양을 감시하는 NASA의 SOHO 탐사선도 이곳에 있다. 한편 태양과 지구 사이에 있기 때문에 태양 빛을 받는 지구의 낮 부분을 계속 감시할 수 있다는 장점도 있다. 그래서 지구의 햇빛을 받는 부분의 구름과 대기를 감시하기 좋다. NASA의 DSCOVR 기상 관측 탐사선도 이 자리에 머무르며 태양풍과 지구 대기 상태를 감시한다. 

 

L1 포인트 주변 궤도에 머무르는 탐사선들의 궤도. 사진=NASA

 

이번에는 반대로 지구보다 바깥에서도 이런 위치를 찾을 수 있다. 지구보다 더 바깥에 탐사선이 있다면 훨씬 먼 거리에서 태양 중력을 좀 더 약하게 느끼기 때문에 지구보다 더 느린 속도로, 긴 주기로 맴돌아야 한다. 그런데 탐사선이 느끼는 중력은 태양의 중력뿐 아니라 지구가 함께 안쪽으로 잡아당기는 중력 역시 포함된다. 그래서 이번엔 순수한 태양의 중력에 지구의 미약한 중력이 살짝 보태지면서, 탐사선은 태양 쪽 방향으로 힘을 좀 더 강하게 느끼게 된다. 그래서 탐사선은 지구보다 먼 거리에서도 살짝 더 빠른 속도로, 짧은 주기로 돌 수 있다. 마찬가지로 적당한 거리에 놓인다면 정확하게 지구와 같은 주기로 맴돌 수 있다. 그래서 이번엔 태양 지구 너머 지구 바깥에서 지구와 같은 주기로 함께 고정되어 움직이는 자리가 만들어진다. 바로 이곳이 L2 포인트다. 

 

태양과 지구 주변에는 중력과 원심력이 균형을 유지하는 균형점 다섯 곳이 존재한다. L1, L2 외에도 지구 정반대편의 L3 포인트, 지구와 태양 사이 60도 방향에 있는 L4와 L5다. 사진=NASA

 

가장 처음으로 L2 포인트에 날아간 탐사선은 WMAP 우주 망원경이다. 빅뱅 직후부터 우주 전역에 퍼져 남아 있는 미미한 노이즈, 우주 배경 복사의 희미한 흔적을 감지하기 위해 2001년 L2 포인트로 날아갔다. WMAP의 뒤를 이어 더욱 선명한 우주 배경 복사 지도를 그리기 위해 2009년 올라간 플랑크 위성 역시 L2 포인트로 향했다. 둘은 각각 10년 가까운 긴 시간 동안 우주 전역의 방대한 온도 분포 지도를 완성하며 빅뱅의 증거를 보여주었다. 

 

L2 포인트 주변을 크게 도는 WMAP의 궤도. 사진=NASA

 

2009년 날아간 ESA의 허셜 우주 망원경도 이곳에 머물렀다. 많은 사람들이 이번 제임스 웹을 허블보다 더 큰 망원경이라고 말하지만, 앞서 올라간 허셜도 허블보다 1.5배 정도 크기가 더 큰 눈을 갖고 있다. 허셜 망원경도 제임스 웹과 마찬가지로 적외선을 관측하기 때문에 태양과 지구로부터 멀리 벗어난 L2 포인트가 필요했다. 2013년 발사된 ESA의 가이아 위성도 있다. 우리 은하 속 수십억 개가 넘는 별들의 세밀한 공간 분포 지도를 그리고 있는 가이아는 L2 포인트에 머무르며 수많은 별들의 거리를 측정한다. 가장 최근에는 2019년 7월 독일과 러시아가 함께 제작한 엑스선 우주 망원경 Spektr-RG이 L2​에 갔다.

 

이번에 올라간 제임스 웹을 포함해서 라그랑주 포인트에 머무르는 많은 탐사선들은 딱 그 포인트에 고정되어 머무르는 것이 아니라, 허공의 라그랑주 포인트를 중심으로 빙글빙글 맴도는 궤도를 유지한다. 얼핏 보면 아무것도 없는 텅 빈 공간을 중심으로 도는 것처럼 보인다. 하지만 태양계 안쪽과 바깥쪽으로 작용하는 두 가지 힘이 합쳐지면서 이런 모습을 만든 것이다. 

 

친구와 함께 긴 줄을 줄넘기하듯이 돌린다고 생각해보자. 줄 한가운데에는 구슬이 하나 연결되어 있다. 당신이 친구와 함께 맞춰서 줄을 돌리면 줄 가운데에 연결된 구슬은 마치 아무것도 없는 줄 한가운데 허공을 중심으로 빙글빙글 도는 것처럼 보인다. 만약 줄이 보이지 않는 투명한 줄이라면 정확하게 L2 포인트의 허공을 맴도는 탐사선처럼 보일 것이다. 하지만 사실 줄 가운데 연결된 구슬에게 작용하는 힘은 각각 오른쪽과 왼쪽에서 잡아당기는 당신과 친구의 힘, 줄의 장력뿐이다. 그 두 힘이 함께 작용하면서 합쳐진 결과, 줄 가운데 허공을 향해 잡아당겨지는 듯한 힘을 받게 되면서 이렇게 허공을 중심으로 빙글빙글 돌게 된다. 

 

L2 포인트 부근에서 탐사선에게 작용하는 힘을 그려보면, 태양계 안쪽으로 작용하는 태양과 지구에 의한 중력, 그리고 궤도를 돌면서 태양계 바깥쪽 반대 방향으로 작용하는 원심력을 생각해볼 수 있다. (물론 원심력은 실재하는 힘이 아니라 회전 운동으로 느끼게 되는 가상의 힘이지만 편의를 위해 원심력으로 표현한다.) 이 두 가지 힘이 각각 오른쪽과 왼쪽으로 줄을 잡아당기는 당신과 친구의 장력인 셈이다. 양쪽에서 잡아당기는 두 힘이 균형을 유지하면서 그 한 가운데 허공을 중심으로 맴도는 것이 가능해진다. 이렇게 허공의 라그랑주 포인트 주변을 맴도는 방식의 궤도를 리사주 궤도(Lissajous Orbit)라고 한다. 특히 그 중에서도 둥근 타원을 그리면서 맴도는 많은 탐사선들의 궤도를 헤일로 궤도(Halo Orbit)라 부른다. 

 

제임스 웹이 그리는 타원 궤도는 지구에서 L2 포인트까지의 거리에 맞먹는 아주 큰 크기다. 사진=NASA/STScI

 

라그랑주 포인트 주변 궤도를 정할 때에는 다양한 고민이 필요하다. 태양을 가리는 지구 그림자 뒤로 우주 망원경이 지나가지 않게 하는 것도 중요하다. 열 교환이 빠르지 않은 우주 공간에서는 태양 빛을 바로 받는 부분과 지구 그림자의 온도 차이가 아주 심하다. 수시로 지구 그림자를 들락날락한다면 계속 반복되는 극심한 온도 변화로 인해 망원경 장비가 금방 손상될 수 있다. 따라서 지구 그림자와 궤도가 겹치지 않도록 멀리 떨어진 채 L2 포인트를 크게 도는 궤도를 유지할 필요가 있다. 

 

실제로 제임스 웹도 L2 포인트 주변에서 아주 크게 찌그러진 타원을 그린다. L2 포인트에 가장 가까울 때는 35만 km 거리까지 접근하고, 가장 멀 때는 80만 km까지 멀어진다. 타원 궤도의 전체 긴 지름만 120만 km 정도 된다. 지구에서 L2 포인트까지의 거리 150만 km에 맞먹는 아주 큰 크기의 타원 궤도다. 

 

제임스 웹이 도착한 L2 포인트는 한 번 도착하면 계속 안정적으로 머무를 수 있는 영역이 아니다. 살짝만 벗어나도 금방 멀리 도망가버릴 수 있는 불안정한 균형점에 해당한다. 항상 태양을 정면으로 바라보며 태양빛을 막고 있는 태양빛 가림막 자체도 계속 태양 빛에 의한 복사 압력을 받는다. 태양 빛이 밀어내는 힘으로 스타샷 탐사선이 속도를 높이는 것처럼 오랜 기간 이 압력이 쌓이면 제임스 웹의 궤도도 틀어진다. 지구나 달, 목성과 토성과 같은 주변의 가깝거나 덩치 큰 천체들의 중력 간섭도 문제다. 제임스 웹 자체의 광학 장비들이 돌아가면서 발생하는 반작용도 망원경의 자세나 궤도가 틀어지게 만들 수 있다. 우주 공간에 고정되지 않은 채 덩그러니 떠 있기 때문에, 육중한 망원경 거울을 왼쪽으로 돌리면 그 반대로 망원경 몸체가 미세하게 오른쪽으로 돌아간다. 

 

허블 망원경의 경우 내부에 장착된 리액션 휠을 돌려서 망원경의 자세와 방향을 제어한다. 그림 속 주황색 동그라미로 표시된 것이 리액션 휠이다. 최근 이 리액션 휠이 망가지면서 허블의 미션 종료가 다가오고 있다. 사진=NASA

 

지구 주변을 맴도는 허블 우주 망원경에서도 이런 작용으로 인해 계속 미세하게 궤도가 틀어진다. 하지만 대부분 안에 장착된 리액션 휠을 돌려서 망원경의 자세를 바로잡는다. 그러나 제임스 웹의 경우 리액션 휠만으로는 누적된 궤도 변화를 모두 바로잡기 어렵다. 그래서 지속적으로 궤도 이탈 정도를 확인하며 추가로 연료를 분사해 궤도를 바로잡아야 한다. 게다가 수시로 프로젝트가 생길 때마다 관측하고자 하는 천체의 방향으로 계속 자세를 틀어야 하기 때문에 매번 누적되는 궤도 이탈의 정도도 다르다. 그래서 제임스 웹은 관측을 수행하면서 매 20일에 한 번씩 궤도가 벗어난 정도를 확인하고 다시 연료를 분사해 원래 궤도로 돌아가는 조정을 하게 된다. 

 

이 때문에 라그랑주 포인트 주변 궤도를 도는 탐사선, 우주 망원경의 수명은 짧아질 수밖에 없다. 궤도를 조정하는 데 리액션 휠뿐 아니라 연료 분사가 필요하기 때문이다. 궤도 조정에 쓰일 연료가 모두 떨어지면 서서히 궤도를 벗어나 결국 수명이 끝나버린다. 실제로 앞서 L2에 도착했던 많은 선배 탐사선들 역시 10년 정도가 지나 연료가 모두 떨어졌고 서서히 태양 빛의 복사 압력에 밀려나가 L2 궤도를 벗어났다. 지금은 그저 태양의 중력에 붙잡힌 채 지구보다 살짝 더 큰 별도의 궤도를 돌며 떠도는 우주 떠돌이가 되어버렸다. 전설 속의 ‘러셀의 찻주전자’처럼 태양을 중심으로도는 아주 작은 인공 소행성 신세가 됐다고 볼 수 있다. 

 

제임스 웹 우주 망원경도 10~20년 정도의 수명이 예상된다. 원래 공학적인 수명은 보수적으로 잡는 편이기는 하지만, 기대수명 15년을 넘어 30년 넘게 혹사당하고 있는 허블 우주 망원경에 비하면 많이 짧다. 그나마 허블은 지구 저궤도를 돌고 있어서 우주인들이 (지금은 은퇴한) 우주 왕복선을 타고 정기적으로 수리와 부품 교환을 해줄 수 있었다. 하지만 달보다 네 배 더 먼 거리에 놓인 L2 포인트까지 우주인을 직접 보내서 수리하기는 거의 불가능하다. 그래서 만약 주어진 수명이 다하기 전 자칫 작은 고장이라도 나면 제임스 웹의 수명은 더 빨리 끝나게 된다. 

 

총 18개의 육각형 모양의 거울 조각들을 하나하나 움직이면서 주경과 부경의 초점을 맞추는 일만 남았다. 사진=NASA

 

앞으로 제임스 웹은 약 두 달에 걸쳐 테스트 이미지를 촬영하고, 18개의 거울 조각들을 움직이면서 배열과 초점을 조절할 예정이다. 다시 촬영한 테스트 이미지를 합성하고 분석하며 추가로 나머지 두 달 동안 초점 조절을 모두 마무리한다. 그리고 마지막 두 달 동안 적외선 분광기와 센서를 움직이고 테스트한다. 이렇게 총 여섯 달에 걸친 광학 장비와 센서의 테스트, 조정이 모두 마무리되고 나면 드디어 본격적인 과학 임무를 수행할 예정이다. 

 

지나치게 복잡한 방식으로 구동되는 것 아니냐는 불안과 걱정이 있었지만, 다행히도 거대한 거울과 태양빛 가림막이 무사히 펼쳐졌고, 머나먼 L2 포인트 궤도까지 아주 빠르게 잘 도착했다. 제임스 웹은 이제 목적지에 도착해서 갓 눈을 처음 뜬 상태라 할 수 있다. 아직은 우주가 흐릿하게 보인다. 이제 남은 건 눈을 비비고 눈꼽을 떼며 더 선명하게 초점을 맞추는 일뿐이다. 지난 한 달간 복잡하고 긴장되는 단계를 너무나 잘 수행해준 제임스 웹이 남은 6개월간 무사히 눈을 떠, 맑은 눈으로 바라본 먼 우주의 모습을 보내오기를 기원한다. 

 

참고 

https://jwst-docs.stsci.edu/jwst-observatory-characteristics/jwst-observatory-coordinate-system-and-field-of-regard/jwst-target-viewing-constraints

https://jwst-docs.stsci.edu/jwst-observatory-characteristics/jwst-observatory-coordinate-system-and-field-of-regard

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190029609/downloads/20190029609.pdf

https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.G003816

https://www.nasa.gov/content/goddard/the-amazing-anatomy-of-james-webb-space-telescope-mirrors/

 

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com​


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