제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? (2) – Sciencetimes - Science Times

인류의 새로운 눈이 되어 줄 제임스 웹 우주 망원경은 현재 무엇을 하고 있을까? 이르면 올 5~6월 정도부터 첫 관측을 시작하게 될 제임스 웹 우주 망원경은 벌써 발사된 지도 3개월이 넘었다. 과학의 달을 맞이하여 제임스 웹 우주망원경의 발사부터 현재까지 진행된 사항들을 종합하고 앞으로 예정된 계획을 정리해본다.

제임스 웹 망원경의 구조 © JWST/NASA

선쉴드의 성공적인 설치

1월 3일 오후 3시 48분, JWST 선쉴드의 첫 번째 레이어에 장력이 가해지며 팽팽하게 조여지기 시작했다. 총 5개 레이어로 이루어진 선쉴드가 모두 펼쳐질 때까지 총 3일 정도 소요될 예정인데, 첫 번째 레이어는 가장 큰 레이어이며 대략 테니스 코트 크기 정도이다. 위 레이어는 태양열을 가장 많이 받는 층이기에 가장 중요한 부분이다. 망원경이 적외선을 감지할 수 있을 만큼 충분히 차가운 온도를 유지하는 데에 큰 역할을 하는 부분이기 때문이다. 첫 번째 레이어의 인장 작업(tensioning work)을 완료한 JWST 팀은 곧 두 번째와 세 번째 레이어의 인장 작업을 시작했다.

장력이 가해지며 팽팽하게 조여지기 시작하는 1, 2, 3번 레이어 © JWST/NASA

세 개의 레이어 인장 작업에 총 5시간이 넘게 걸렸는데, 고다드 우주 비행 센터(Goddard Space Flight Center)의 NASA 웹 선쉴드 관리자인 제임스 쿠퍼(James Cooper)에 따르면 인장 작업이 레이어들의 구조, 인장 메커니즘, 케이블 및 멤브레인 사이에 복잡한 상호 작용을 조절하는 매우 섬세한 작업이라고 한다. JWST 팀은 이미 완전히 펼쳐진 3개의 레이어 테스트까지 성공적으로 마무리 지으며 나머지 2개 레이어의 인장 작업만 남겨놓았다.

5개의 레이어들이 모두 펼쳐지기 시작한다 © JWST/NASA

JWST팀은 다음 날 오전부터 대략 2시간 반 정도의 섬세한 작업을 거쳐 다섯 번째 레이어이자 선쉴드의 마지막 층의 인장 작업을 성공적으로 마무리 지었다. 완전히 전개된 선쉴드는 태양 복사로부터 망원경을 보호하기 시작했으며, 최대 약 383K(화씨 약 230도)에 달하던 망원경의 온도를 최소 약 36K(화씨 -394도)로 유지하기 시작했다.

완전히 전개된 선쉴드 © JWST/NASA

MIRI의 오염 제어 덮개 해제

JWST 팀이 선쉴드에 장력을 가하는 동안 다른 활동도 진행되고 있었다. 구체적으로 MIRI(Mid-Infrared Instrument)의 오염 제어 덮개(Contamination Control Cover) 잠금 해제가 이루어졌다. MIRI는 매우 낮은 온도에서 작동해야 하기 때문에 히터와 같은 민감한 구성 요소들로부터 망원경 온도를 보호해줄 오염 제어 덮개가 존재한다. MIRI의 유럽 수석 연구원 길리안 라이트(Dr. Gillian Wright) 박사에 따르면 발사 시에는 안전을 위해서 위 덮개가 닫혀 있었으며, 망원경 온도에 따라서 개폐가 결정된다고 한다.

커버의 잠금을 해제하려면 먼저 계측기 제어 전자 장치 전원을 켜서 올바르게 작동하는지 확인을 해야 한다. 이에 관한 테스트를 성공적으로 완료한 JWST 팀은 다시 계기 제어 전자 장치의 전원을 껐다. 라이트박사에 따르면 최소 며칠 동안은 같은 상태가 계속 유지될 것이며, MIRI의 온도가 최종 목표인 6~7K로 냉각이 되며, 첫 관측(First light)이 완전히 준비되면 다시 작동될 예정이라고 한다.

부경의 지지대를 성공적으로 설치하다

빛이 JWST의 18개 주경에 닿으면, 부경(secondary mirror)을 통해서 JWST 망원경의 기구들로 향하게 된다. 따라서 부경의 지지대는 성공적인 관측을 위해서 없어서는 안 될 필수 구조물이다. 1월 5일 오후 12시 23분, JWST팀은 대략 2시간 반의 시간 동안의 매우 세세한 과정을 통해 길이 7m가 넘는 부경의 지지대를 성공적으로 설치했다고 발표했다. 고다드 우주 비행 센터의 JWST 광학 망원경 관리자인 리 파인버스 박사(Dr. Lee Feinberg)는 이를 통해서 “세상에서 가장 정교한 삼각대”가 배치되었다고 표현했다.

세상에서 가장 정교한 삼각대가 설치되다 © JWST/NASA

후방 전개식 계기 방열기의 성공적인 설치

1월 6일, JWST 팀은 안정적인 작동 온도에 도달하는 데 필요한 특수 방열기 시스템인 후방 전개식 계기 방열기(ADIR: aft deployable instrument radiator)가 성공적으로 설치되었음을 알렸다. 후방 전개식 계기 방열기는 1.2m x 2.4m 크기의 대형 직사각형 패널로, 벌집 모양 셀로 덮인 고순도 알루미늄 서브 패널로 구성되어 있다. 패널들이 제자리에 고정될 수 있도록 잠금장치를 해제하는 프로세스인 ADIR 배치에는 약 15분이 소요되었다.

후방 전개식 계기 방열기의 성공적인 설치 © JWST/NASA

구조 설치의 마지막 단계 주경의 성공적인 전개 완료

1월 7일, JWST의 가장 중요한 구성요소이자 구조 설치의 가장 마지막 단계인 주경 설치 및 전개가 시작되었다. 발사 때 뒤로 접혔던 측면 패널들은 육각형 금도금 거울 조각들이 왼쪽 오른쪽 각각 3개씩 붙어있으며, 엔지니어들은 총 2단계로 주경 날개 전개를 계획했다. 먼저 왼쪽에 있는 거울 날개(Port Primary Mirror Wing)를 펼치기 시작했으며 거울이 펼쳐지면 이를 제자리에 단단히 고정하는 작업만 해도 두 시간이 소요된다.

왼쪽에 있는 거울 날개가 펼쳐지고 있다 © JWST/NASA

1월 8일, JWST팀은 나머지 오른쪽 거울 날개 (Starboard Primary Mirror Wing)를 펼치기 시작했다. 위 작업은 관측을 위한 구조 배치 중 최종 단계이며 위 작업의 완료 후에는 안정적인 작동 온도 및 거울 정렬, 수많은 보정 등으로 구성된 대략 5개월 반의 시운전 단계만 남게 된다.

오른쪽에 있는 거울 날개가 펼쳐지고 있다 © JWST/NASA

“Webb has been fully deployed in space!”

같은 날 오후 1시 17분, JWST팀은 오른쪽의 거울 날개를 성공적으로 배치 함으로써 모든 구조 배치를 완료했다. 우주망원경 과학 연구소(Space Telescope Science Institute)의 과학 커뮤니케이션 프로젝트 과학자인 알렉산드라 락우드 박사(Dr. Alexandra Lockwood)는 이러한 놀라운 성공에 매우 기쁘며 JWST 팀이 느끼는 자부심은 이루 표현할 수 없다고 밝혔다. 그녀는 또한 JWST는 아직 갈 길이 멀지만, 현재까지 지구와 현재 우주에서 성취된 공학적 업적은 경외심을 불러일으키기에 충분하다며 이것은 JWST 팀의 노력과 전문성에 대한 증거라고 전했다.

완전히 전개된 제임스 웹 우주 망원경 © JWST/NASA

L2 주변 헤일로 궤도로 여정을 계속하는 JWST

구조 배치와 설치가 완료됨에 따라서 JWST는 라그랑주 L2 주변 헤일로 궤도(L1, L2, L3 라그랑주점 근처의 주기적인 3차원 궤도: 두 천체 간의 중력 상호작용, 코리올리 효과, 우주선의 원심력이 종합되어 나타나는 궤도이며 다소 불안정한 궤도 특성상 계속해서 궤도 수정이 필요함)로의 여정을 계속하게 된다.

L2 지점에 도착하게 될 JWST © JWST/NASA

모든 세그먼트 설치와 전개 완료

동시에 이제부터 다소 느리지만, 신중한 시운전 프로세스 단계가 시작된다. 앞으로 2주 동안은 18개의 주경 세그먼트와 부경을 각각 이동시키게 된다. 이는 처음 JWST 발사 당시 발사의 진동과 가속에 거울들을 안전하게 보호하기 위해서 소켓에 꼭 맞게 고정된 못으로 배치되어 있었기 때문이다. 거울들은 못을 제거하기 위해서 12.5mm 정도 펼치게 된다. 이는 컴퓨터로 제어되는데 나노미터 단위로 측정되는 극도의 작은 움직임들로 이루어진다. 따라서 매우 정밀하게 이동시킬 수 있지만, 꽤 오랜 시간이 필요하다. 최고 속도를 통해서도 하루에 1mm 정도밖에 움직이지 못하며 JWST 팀은 이를 마치 풀이 자라는 속도와 같다고 표현한다.

1월 19일 JWST 팀은 거울의 모든 세그먼트 설치와 전개를 완료했다고 밝혔다. 총 132개의 작동장치를 통해서 점진적으로 설치되었는데, 망원경에 있는 20개의 극저온 전자 상자를 통해 제어되는 모터들은 이 주에만 백만 번 이상 회전했다고 밝혔다.

최종 교정 화상 완료 – JWST 드디어 L2에 도착하다

1월 24일 오전, JWST 팀 엔지니어들은 최종 교정 화상(final correction burn)을 완료할 계획이라고 밝혔다. 이를 통해서 지구로부터 약 150만 km 정도 떨어진 L2 지점의 원하는 궤도에 안착시킬 계획이라고 밝혔다. 같은 날 동부 표준시 오후 2시에 JWST는 드디어 최종 궤도에 도착하게 됨을 알렸다.

NASA 관리자 빌 넬슨 (Dr. Bill Nelson) 박사는 이에 관해서 JWST가 집에 도착한것을 환영한다(Webb, welcome home!)고 밝히며, JWST 팀은 우주의 신비를 밝히는 데 한 걸음 더 다가갔다고 전했다. NASA 고다드 우주 비행 센터의 프로젝트 관리자인 빌 옥스(Dr. Bill Ochs) 박사 역시 지난 한 달 동안 JWST는 놀라운 성공을 거두었고 임무 성공을 위해 수년, 심지어 수십 년을 보낸 모든 사람에게 경의를 표한다고 전했다. 또한 우리는 놀라운 발견 시작 직전에 있다고 밝혔다.

이와 동시에 JWST 팀은 Ka 무선 대역을 사용하는 Deep Space Network를 통해 지구에 다운 링크를 가능하게 하는 고성능 안테나의 전원을 켰다. Ka-band는 JWST가 지금까지 통신에 사용해온 S-band보다 훨씬 높은 데이터 전송률을 제공할 수 있다.

성공적인 JWST의 1월, 그리고 다음 계획은?

이로써 JWST의 1월도 매우 성공적으로 마치게 되었다. 옥스 박사는 1월의 성과에 관해서 발사 후 약 한 달 동안은 믿을 수 없는 여정이었다며, 망원경의 여러 구조와 부품들의 완벽한 설치 그리고 전개에 관해서 더없이 완벽했다고 평가했다.

다음 4~5개월간의 시운전 기간에는 중적외선 기기의 추가 냉각과 망원경 광학 장치의 정렬 과정이 시작된다. 먼저 NIRCam 기기를 사용하여 18개 거울 세그먼트를 단일 코히어런트 (coherent) 광학 시스템으로 정렬하는 작업이 포함되는데, NIRCam 기기의 성공 이후 모든 기기를 개별적으로 추가 교정하게 된다.

1월의 마지막 날 JWST 팀은 이를 위하여 MIRI를 제외한 나머지 세기기(NIRCam, NIRSpec 및 FGS/NRISS)의 기기들의 전원을 켰다. 또한 위 기기들의 결빙 위험을 방지하며 광학 장치를 따스하게 유지하기 위한 히터를 껐는데 이는 기기들이 최종 온도로 냉각이 되어야 하기 때문이다. 먼저 NIRCam의 온도가 120K(섭씨 -153도)에 도달하면 예정되었던 작업이 시작된다. JWST 팀은 위 작업을 위한 타깃으로 별 HD 84406을 선택했으며 앞으로 위 별의 관측을 통하여 교정을 수행하게 된다.

* 모든 시간은 동부 표준시를 기준으로 작성되었음을 알려 드립니다.

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