제임스 웹 우주망원경

3. 다른 망원경과 비교

제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 허블 우주 망원경보다 무게가 절반 정도밖에 되지 않지만, 훨씬 큰 주경을 가지고 있다. 금으로 코팅된 베릴륨 재질의 주경은 지름이 6.5m이며, 18개의 작은 육각형 거울로 이루어져 있다. 이 거울들의 총 면적은 26.3m²이지만, 부거울과 지지대에 0.9m²가 가려져 실제 빛을 모으는 면적은 25.4m²이다. 이는 지름 2.4m인 허블 주경의 집광 면적 4m²보다 6배 이상 크다. 제임스 웹 망원경의 거울이 금으로 코팅된 이유는 적외선 반사율을 높이기 위해서이며, 금 코팅은 얇은 유리막으로 덮여 보호된다.

제임스 웹 망원경은 주로 근적외선 관측을 위해 설계되었지만, 사용하는 장비에 따라 주황색에서 빨간색의 가시광선, 그리고 중적외선 영역도 관측할 수 있다. 허블이 관측할 수 있는 것보다 100분의 1 정도로 어두운 천체까지 관측 가능하며, 적색편이 z≈20 (빅뱅 이후 1억 8천만 년 무렵)까지 거슬러 올라가는 우주 초기의 천체들도 관측할 수 있다. 허블은 z≈11.1 무렵(빅뱅 이후 4억 년)의 극초기 재이온화 시대 너머는 볼 수 없다.

제임스 웹 망원경이 근적외선과 중적외선에서 작동하도록 설계된 이유는 다음과 같다.

• 적색편이가 큰 (멀리 있고, 아주 초기 우주의) 천체는 가시광선 방출이 적외선으로 이동하기 때문에, 오늘날 그러한 빛을 관측하려면 근적외선 관측이 필수적이다.
• 적외선은 가시광선보다 먼지 구름을 쉽게 통과한다.
• 먼지 원반이나 행성 같은 저온 천체는 적외선을 가장 많이 방출한다.
• 이러한 적외선 대역은 지상 망원경이나 허블과 같은 기존 우주 망원경으로는 연구하기 어렵다.

4. 개발사

미국 항공우주국(NASA), 유럽 우주국(ESA), 캐나다 우주국(CSA)은 1996년부터 제임스 웹 우주망원경 개발에 협력해 왔다. ESA는 2003년에 망원경 제작과 발사 참여를 승인했고, 2007년에는 NASA와 협약을 체결했다. ESA는 NIRSpec 장비, MIRI 광학 벤치 조립체(Optical Bench Assembly^영어), 아리안 5 ECA 로켓, 운영 지원 인력을 제공했다. CSA는 정밀지향센서, 근적외선 영상 장치 겸 무슬릿 분광기, 운영 지원 인력을 제공했다.

15개국, 258개 기업, 정부 기관, 학술 단체에서 수천 명의 과학자, 엔지니어, 기술자들이 망원경 제작, 시험, 장비 통합에 참여했다. 발사 전 사업에는 미국에서 142개, 유럽 12개국에서 104개 (영국 21개, 프랑스 16개, 독일 12개, 그 외 7개), 캐나다에서 12개 단체가 참여했다. 호주는 NASA의 파트너로서 발사 후 운영에 참여했다.

참여 국가는 다음과 같다.

4. 1. 배경 (2003년까지의 개발)

4. 2. 초창기 개발과 재계획 (2003~2007)

4. 3. 상세 설계와 제작 (2007~2021)

허블 우주 망원경의 후계기에 관한 논의는 1980년대부터 시작되었지만, 본격적인 계획은 1990년대 초반부터 이루어졌다. 1990년대 중반, "더 빠르게, 더 좋게, 더 저렴하게"라는 슬로건 아래, 5억 달러의 비용으로 8m 구경의 망원경을 라그랑주 점(L₂)에 띄우는 차세대 우주 망원경 사업이 구상되었다.

2002년, 이 사업은 1961년부터 1968년까지 NASA 제2대 국장을 역임하며 아폴로 계획을 이끌고 과학 연구를 NASA의 핵심 활동으로 확립한 제임스 에드윈 웨브의 이름을 따 개칭되었다.

2003년, NASA는 TRW와 8억 2,480만 달러 규모의 제임스 웹 우주 망원경 사업 원청 계약을 체결했다. 주거울은 6.1m로 축소되었고, 발사일은 2010년으로 정해졌다. 그해 말, TRW는 노스롭 그루먼에 인수합병되어 노스롭 그루먼 스페이스 테크놀로지가 되었다.

4. 4. 비용과 일정 문제

JWST 개발 과정은 과학 기술 프로젝트에서 예산 관리와 일정 준수가 얼마나 어려운 과제인지 보여주는 대표적인 사례이다.

4. 5. 협력

4. 6. 명칭에 관한 논란

5. 임무 목표

제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 다음 네 가지 주요 목표를 가지고 있다.

• 빅뱅 이후 우주 초기에 나타난 최초의 별과 은하에서 오는 빛을 탐색한다.
• 은하의 형성과 진화 과정을 연구한다.
• 별과 행성이 만들어지는 과정을 이해한다.
• 행성계와 생명의 기원을 연구한다.

5. 1. 궤도 형태

5. 2. 적외선 천문학

6. 지상 지원과 운용

메릴랜드 볼티모어 존스홉킨스대학교 홈우드캠퍼스에 있는 우주망원경과학연구소(STScI)는 2003년에 제임스 웹 우주망원경의 과학운용센터(S&OC)로 선정되었으며, 발사 후 첫 1년 동안 운용을 지원하기 위한 초기 예산으로 1.6219999999999999억달러를 책정받았다. STScI는 망원경의 과학적 운용을 담당하고 천문학계에 데이터 프로덕트를 전달하는 역할을 맡았다. 제임스 웹의 데이터는 NASA 심우주 통신망을 통해 지상으로 전송된 후 STScI에서 처리 및 보정되어 전 세계 천문학자들에게 온라인으로 배포된다. 허블 우주 망원경의 운용 방식과 유사하게, 천문학자라면 국적에 관계없이 누구나 관측 제안서를 제출할 수 있다. 매년 천문학자로 구성된 위원회가 제출된 제안서를 동료평가하여 다음 해에 관측할 프로젝트를 선정한다. 선정된 관측 제안서의 저자는 새로운 관측에 대해 1년간 독점할 권한을 얻게 되며, 독점 기간이 만료된 데이터는 STScI에서 운영하는 온라인 데이터 아카이브에 공개되어 누구나 접근할 수 있다.

망원경의 대역폭과 디지털 처리량은 임무 기간 동안 하루에 458기가비트의 데이터(실질 전송률 5.42 Mbps 상당)로 운용할 수 있게끔 설계되었다. 망원경의 데이터는 대부분 재래식 싱글보드 컴퓨터를 통해 처리된다. 장비의 아날로그 데이터를 디지털로 변환하는 일은 주문 제작식 SIDECAR ASIC(System for Image Digitization, Enhancement, Control And Retrieval Application Specific Integrated Circuit|이미지 디지털화, 향상, 제어 및 검색 시스템 주문형 집적 회로^영어)이 수행한다. NASA는 SIDECAR ASIC이 3cm짜리 칩만으로 9.1kg짜리 전자 장비의 기능을 모두 해낼 수 있으면서도 11밀리와트의 전력만을 소비할 것이라고 밝혔다. 디지털 변환은 망원경에서 온도가 낮은 부분인 검출기 근처에서 수행되어야 하므로, 제임스 웹이 최적의 조건에서 작동하도록 낮은 온도를 유지하기 위해서는 전력 소모를 작게 하는 것이 매우 중요하다.

망원경에는 과학 계측기에서 수집된 데이터를 임시 저장하는 데 사용되는 68GB 용량의 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)가 장착되어 있다. 10년 임무가 끝날 때까지 방사선 및 읽기/쓰기 작업의 영향으로 드라이브의 사용 가능한 용량은 60GB로 감소할 것으로 예상된다.^[174]

7. 발사와 운용 준비 과정

제임스 웹 우주망원경(JWST) 개발에는 많은 비용과 시간이 소요되었다. 1984년 연구에서는 차세대 적외선 관측소 건설에 40억 달러(2020년 기준 약 100억 달러)가 필요하다고 추정했다.^[115] 1990년대 후반 NASA의 초기 설계는 10억 달러를 목표로 했으나, 시간이 지나면서 설계 확장, 예산 추가, 일정 지연이 발생했다.

2008년 건설 확정 당시 이미 10억 달러 이상이 개발에 사용되었고, 총 예산은 50억 달러로 추정되었다. 2010년 중요 설계 검토(CDR) 통과 후, 일정 및 비용 초과로 미국 상원 의원 바바라 미쿨스키가 외부 검토를 요구, 독립 검토 패널(ICRP)은 2015년 말 발사를 위해 15억 달러(총 65억 달러) 추가를 결론지었다.^[124]

2011년 미국 하원 예산 위원회의 프로젝트 취소 예산안 제안에도 불구,^{[125][126][127][128]} 미국 천문학회와 미쿨스키 상원 의원 등의 지지로^[130][131] 2011년 11월, 의회는 추가 자금 지원을 80억 달러로 제한, 프로젝트를 완료하기로 결정했다.^[134]

2018년 그레고리 L. 로빈슨이 새 프로그램 책임자로 임명되어 일정 효율성을 향상시켰고,^[139] 2022년 7월 시운전 완료 및 첫 데이터 전송 후 은퇴했다.^[140] 2018년 3월 NASA는 발사 일정을 2020년 5월 이후로 연기했고,^[121] 2019년 임무 비용 상한선이 8억 달러 증가했다.^[144] 코로나19 범유행으로 2020년 발사가 중단된 후,^[145] 2021년 말 총 비용 100억 달러에 약간 못 미치는 금액으로 발사되었다. 시스템 복잡성, 중요 경로, 검증 문제, 프로그램 제약, 초기 통합 및 테스트 고려 사항 등 5가지 주요 영역이 비용 증가에 영향을 미쳤다.^[146]

JWST는 아리안 5 로켓(아리안 플라이트 VA256)에 실려 2021년 12월 25일 기아나 우주 센터에서 발사되었다.^[191][177] 발사 27분 7초 후 상단에서 분리, 라그랑주 점 Lissajous 궤도 배치를 위한 30일간 조정이 시작, 2022년 1월 24일 L₂에 도달했다.^[182] 망원경은 궤도 유지를 위해 추진제를 사용하며,^[184] 발사 정밀성과 궤도 수정으로 약 20년간 궤도 유지가 가능한 연료를 절약했다.^{[186][187][188]}

발사 후 태양 전지판, 안테나, 태양 가리개, 거울 전개 과정이 시작되었고,^[193] 2022년 1월 8일 주 거울 날개 전개를 마지막으로 구조적 전개가 완료되었다.^{[204][205][206]} 2022년 1월 24일, 마지막 궤도 수정으로 헤일로 궤도에 진입, 태양-지구 L₂ 지점을 돌게 되었다.^[208][209]

2022년 1월 12일, 거울 정렬이 시작되었다. 이는 7단계로 나누어진 복잡한 작업으로,^[214] 거울 온도 120,000 도달 후,^[215] NIRCam이 큰곰자리 6등급 별 HD 84406을 목표로 했다.^[217][218] 2022년 2월 11일, NASA는 정렬 1단계가 거의 완료되었다고 발표,^[220] 2월 18일 1단계 완료,^[221] 일주일 후 2, 3단계도 완료되었다.^[222]

7. 1. 발사

7. 2. 이송 및 구조물 전개

7. 3. 운용 준비 과정과 시험

• NIRCam(근적외선 카메라)은 가시광선 끝(0.6μm)에서 근적외선(5μm)까지의 스펙트럼 범위를 갖는 적외선 이미저이다.^[40][41] 4 메가픽셀 센서가 10개 있으며, 주 거울 세그먼트 정렬 및 초점 조절에 사용되는 파면 감지 및 제어 활동에 필요한 천문대의 파면 센서 역할을 한다. 애리조나 대학교 팀에서 제작했으며, 수석 연구원은 마르시아 J. 리케이다.^[42]
• NIRSpec(근적외선 분광기)는 같은 파장 범위에서 분광법을 수행한다. 유럽 우주국(ESA)이 네덜란드 노르드베이크의 ESTEC에서 제작했다. 주도적인 개발팀에는 독일 오토브룬과 프리드리히스하펜의 에어버스 국방 및 우주, 고다드 우주 비행 센터 구성원과 NIRSpec 프로젝트 과학자 피에르 페루이(리옹 고등사범학교)가 포함된다. NIRSpec 설계는 프리즘을 사용하는 저해상도 모드, R~1000 다중 객체 모드 및 R~2700 적분 필드 장치 또는 긴 슬릿 분광법 모드를 제공한다. 다중 객체 모드는 NIRSpec 시야 내 모든 위치에서 수백 개의 개별 객체를 동시에 관측할 수 있도록 복잡한 마이크로 셔터 메커니즘에 의존한다. 4 메가픽셀 센서가 2개 있다.^[43]
• MIRI(중적외선 장비)는 5~27μm의 중-장적외선 파장 범위를 측정한다.^[112][44] 중적외선 카메라와 이미징 분광기를 모두 포함하고 있다.^[45] NASA와 유럽 국가 컨소시엄의 협력으로 개발되었으며, 조지 리케(애리조나 대학교)와 질리안 라이트(영국 천문 기술 센터, 에든버러, 스코틀랜드)가 주도한다.^[42] MIRI 온도는 6,000를 초과해서는 안 되며, 환경 보호막의 따뜻한 쪽에 위치한 헬륨 가스 기계식 냉각기가 이 냉각을 제공한다.^[46]
• FGS/NIRISS(미세 유도 센서 및 근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기)는 캐나다 우주국(CSA)이 허츠버그 천문학 및 천체물리학 연구 센터의 프로젝트 과학자 존 허칭스에 따라 주도하며, 과학 관측 동안 천문대의 시선을 안정화하는 데 사용된다. FGS 측정값은 우주선 전체 방향 제어 및 이미지 안정화를 위해 미세 조향 거울을 구동하는 데 모두 사용된다. CSA는 또한 0.8~5μm 파장 범위에서 천문 이미징 및 분광법을 위한 근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(NIRISS) 모듈을 제공했으며, 수석 연구원은 몬트리올 대학교의 르네 도욘이다.^[47][42] NIRISS와 FGS는 한 유닛으로 언급되지만, 완전히 다른 목적을 수행하며, 하나는 과학 장비이고 다른 하나는 천문대의 지원 인프라의 일부이다.^[48]

7. 4. 미세유성체 충돌

8. 관측 시간 할당

제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 관측 시간은 일반 관측자(GO) 프로그램, 보장 시간 관측(GTO) 프로그램, 연구소장 재량 조기 발표 과학(DD-ERS) 프로그램을 통해 할당된다. GTO 프로그램은 망원경에 들어가는 하드웨어나 소프트웨어 요소를 개발하는 데 기여한 과학자에게 관측 시간을 보장하는 프로그램이다. 반면 GO 프로그램은 모든 천문학자에게 관측 시간을 신청할 기회를 제공하며, 제임스 웹 관측 시간의 대부분을 차지한다. GO 프로그램은 허블 우주 망원경의 관측 제안서 검토 과정처럼 시간 할당 위원회(TAC)의 동료평가 과정을 거쳐 선정된다.

JWST는 다음 4가지 주요 목표를 가지고 있다.

• 빅뱅 이후 우주에서 형성된 최초의 별과 은하에서 나오는 빛을 탐색한다.
• 은하 형성 및 진화를 연구한다.
• 별의 형성과 행성 형성을 이해한다.
• 행성 시스템과 생명의 기원을 연구한다.^[157]

8. 1. 조기 발표 과학 프로그램

8. 2. 일반 관측자 프로그램

9. 과학적 성과

2022년 7월 12일, 최초의 컬러 이미지와 분광 데이터가 공개되면서 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 일반 과학 임무가 공식적으로 시작되었다. NASA, ESA, CSA 과학자들은 JWST의 과학적 성능이 예상보다 뛰어나다고 평가했다.

보고서에 따르면, 관측 장비는 1000ppm 이상의 정밀도로 외계행성 스펙트럼을 관측하고, 스펙보다 두 배 이상 빠른 초당 67밀리각초로 움직이는 천체를 추적했으며, 은하 중심 방향의 조밀한 영역에서 별 수백 개의 스펙트럼을 동시에 얻는 등 뛰어난 성능을 보였다.

다음은 보고서에 포함된 관측 대상에 대한 요약이다.

2022년 7월 14일, NASA는 JWST가 목성과 그 주변 영역을 촬영한 적외선 이미지를 최초 공개하였다.

2022년 8월 24일, 천문학자들은 조기 발표 과학 프로그램의 일환으로 JWST가 흡수 분광법 관측한 목성형 외계행성 WASP-39b의 대기에서 이산화탄소를 검출했는데, 이는 태양계 바깥 행성에서 이산화탄소를 확인한 첫 번째 사례이다.

9. 1. 최초의 컬러 이미지

• 용골자리 성운: "우주 절벽"(Cosmic Cliffs^영어)을 보여주는 8,500광년 거리의 별 탄생 영역 NGC 3324.
• WASP-96b: 1,120광년 거리의 별을 공전하는 목성형 행성으로, 물이 존재한다는 대기 분석 결과가 발표되었다.
• 남쪽 고리 성운: 2,500광년 거리에서 죽어가는 별이 방출한 기체 먼지 구름.
• 슈테팡의 오중주: 가스 먼지 구름이 충돌하고 있는 다섯 은하의 모습.
• SMACS J0723.3-7327: 제임스 웹 최초의 딥 필드(Webb's First Deep Field^영어)라고 불리는 46억 광년 거리의 중력 렌즈. 131억 년 전의 모습을 한 원거리 은하도 보여준다. SMACS 0723으로 줄여 쓰기도 한다.

9. 2. 초기 은하 발견

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