- 2018년 주간조선에 게재된 글입니다.
정운섭 한국천문연구원 책임연구원은 우주망원경을 만드는 천문학자다. 그가 천문년 내 우주천문그룹을 이끌고 만든 우주망원경 NISS(근적외선 영상분광기)는 스페이스X에 실려 오는 10월 지구궤도에 오를 예정이다. 나는 우주망원경은 미국 러시아 유럽연합 같은 우주 선진국만 만든다고 생각했다. (2018년) 5월 14일 대전 대덕연구개발특구 내 한국천문연구원에서 만난 정 박사는 NISS는 천문연의 세 번째 우주망원경이라고 말했다.
천문연의 첫 우주망원경은 FIMS(원자력분광기2003년 발사), 두 번째 우주망원경은 MIRIS(다목적 적외선영상시스템2013년 발사)다. 세 번째 망원경 NISS에는 MIRIS에는 없던 분광 기능을 탑재했다. 한발씩 앞으로 나아가고 있는 셈이다. 첫 우주망원경이 우주관측 카메라 정도였다면 지금은 우주망원경에 근접했다. 정 박사는 “우주 선진국에 비하면 뒤지지만 이렇게 역량을 축적하면 언젠가 대형 우주망원경을 만들 수 있을 것”이라고 말했다.
지상에서 대형 망원경을 만들어 관측하면 되는데 왜 우주에 망원경을 실어 보내는 걸까. 예를 들어 천문연은 2020년대 중반 완공될 주경 25m급 초대형 망원경 ‘거대 마젤란 망원경’을 외국 대학 및 과학기관과 공동 개발하고 있다.
천체는 다양한 파장의 빛을 방출한다. 다양한 스펙트럼으로 천체를 관측해야 진정한 모습을 알 수 있다. 눈에 보이지 않는 스펙트럼은 지상에서는 잘 관측되지 않는다. 지구 대기 중의 수증기와 같은 물질이 방해한다. 그래서 우주에 망원경을 실어야 한다.
/이미지 위키백과. 인류가 만든 첫 우주망원경은 1960년대 대형 풍선에 올린 형태였다. 제대로 된 위성 형태로 1983년 지구궤도에 오른 것은 유럽과 미국항공우주국(NASA)이 공동 개발한 적외선 망원경 IRAS다. IRAS는 전천 관측에서 적외선 천문학에 큰 공헌을 했다. 이후 미국은 허블우주망원경을 1990년 발사했고 허블망원경은 현재도 현역이다. 우주망원경에는 관측하려는 파장에 따라 감마선, X선, 자외선, 적외선망원경이 있다.
천문연의 NISS / 이미지 천문연 사이트.정 박사가 만든 우주망원경 NISS는 적외선망원경이다. 적외선 망원경은 우주에서 멀리 떨어져 있어 ‘적색이동(redshift)’이 큰 초기 은하, 성간물질로 둘러싸여 별이 태어나는 영역, 갈색 왜성처럼 매우 차가운 별을 관측하기에 좋다. 또 적외선은 우주먼지의 방해를 받지 않고 멀리 볼 수 있다. 야간투시경을 사용하면 밤에도 사물이 보이는 것과 같은 이치다. 적외선 우주망원경의 이 같은 특징 때문에 “NISS는 초기 은하 생성과 은하 진화 연구에 도움이 되는 적외선 우주배경복사(Cosmic Infrared Background·CIB) 관측을 하게 된다”고 정 박사는 말했다.
NISS에서 초기 은하나 별을 직접 볼 수 있는 것은 아니다. 정 박사는 간접 관측한다고 설명했다. 이에 따르면 NISS는 지구 궤도를 돌며 광시야로 넓은 하늘 영역을 촬영한다. 허블 망원경이 좁고 깊게 우주를 들여다보는 것과는 망원경의 특성이 다르다. 촬영한 그 이미지로부터 알려진 별이나 은하와 같은 점광원을 지워 간다. 그러면 남는 게 있어. 이것이 아주 먼 곳에서 오는 빛이다. 이것을 적외선 우주 배경 복사라고 한다. CIB는 초기 별 혹은 은하가 만들어낸 ‘공간 요동’의 흔적이다. 특정 천체를 직접 관측한 것은 아니기 때문에 이런 관측을 간접 관측이라고 한다.
정 박사는 공간의 흔들림이 얼마나 큰지, 즉 얼마나 큰 규모까지 은하가 분포하고 있는지를 NISS를 통해 연구하려 한다. 지금까지 적외선 망원경으로 1도 이하(sub-degree) 규모로 관측했으며 MIRIS나 NISS에서는 1도 이상 규모로 볼 수 있다. 분광 기능이 추가된 NISS에서 “한 번 이상 스케일의 공간 요동에 기여하는 은하가 무엇인지 알아보는 것이 이번 임무의 핵심이다.” 정 박사에 따르면 이론과 관측이 충돌할 수 있다. 그는 “이론은 현재 관측되고 있는 대규모 공간 요동을 설명할 수 없다”고 말했다. 한 번 이상 크기로 공간을 분광해 봤을 때 적외선 파장에 따라 공간의 요동 강도가 어떻게 나는지를 알면 이론과 관측의 차이를 줄일 수 있다. 정 박사는 서울대 천문학과 박사 1년차 때 적외선 천문학을 하기로 결심하고 일본우주과학연구소(ISAS)에 갔다. ISAS의 적외선 망원경 AKARI 개발에 한국이 참여했는데 그 팀의 일원이었다. 정 박사는 적외선 천문학 공부를 시작한 이유에 대해 새로운 분야를 개척하고 싶었다고 말했다. 적외선 천문학이라는 도구로 초기 은하의 형성과 진화를 찾으려 한다.
ISAS의 AKARI./미쓰이지 ISAS. ISAS는 도쿄 서쪽 교외의 사가미하라에 있다. ISAS는 일본 우주과학연구의 중심지이자 일본의 NASA라 할 수 있는 일본우주항공연구개발기구(JAXA) 산하기관이다. 정 박사는 AKARI 개발 과정에서 자료 해석, 관측 시뮬레이션, 적외선 우주 관측 기기에 대한 실험 설계를 배웠다. 박사 과정을 포함해 박사 후 연구원 시절까지 5년 반을 ISAS에서 보냈다.
MIRIS, 천문연구원에 들어간 것은 2007년. 천문연의 두 번째 우주망원경인 MIRIS 개발에 참여해 ‘근적외선 광시야 영상기’를 만들었다. 정 박사에 따르면 한국의 적외선 천문학이 여기까지 온 데는 일본 천문학계의 도움이 컸다. ISAS에서 만난 나카가와 타카오(도쿄 대학), 마츠모토 토시오(나고야 대학) 교수로부터 배워 지금도 배운다고 한다. 마쓰모토 교수는 요즘도 한 달에 한 번 천문연에 온다.
한국 우주망원경의 현주소는 선진국의 적외선 우주망원경과 주경의 크기를 비교할 때 밝혀진다. 천문연이 쏘는 NISS는 15cm이고 일본이 13년 전인 2005년에 쏘아올린 AKARI는 68cm다. 유럽항공우주국(ESA)이 운영하는 하셀은 3.5m이며 NASA가 2020년 발사하는 제임스 웹 우주망원경은 6.5m다. 15cm 대 6.5m.
정은섭 박사방에서 나와 같은 건물, 같은 층에 있는 광학실험실로 갔다. 2012년부터 NISS를 만든 방이다. 실험실 내 테이블 위에 NISS와 꼭 닮은 모델이 놓여 있었다. 발사를 위해 보낸 비행모델 직전 단계의 인증모델이다. 투명한 비닐로 막은 밀폐공간 안에 있어 가까이서 볼 수 없었다. 크기는 내용물을 가득 담은 백팩 정도였다. 광학실험실에는 전선과 공구, 드라이버 세트, 큰 공구함, 회로기판, 경고라고 적힌 가스통이 가득했다. 옆방에는 우주환경실험을 하는 대형 장비도 있었다. 천문학자가 우주망원경을 직접 손으로 만들 줄은 몰랐다. 기계과를 나온 연구자가 있느냐고 물었다. 정 박사는 없다. 우주천문그룹 연구자는 모두 천문학과 출신이다. 이런 것을 직접 만들어야 하기 때문에 천문학은 복합학문이라고 설명했다. 12명의 팀원은 광학전문가, 광기계전문가, 전자파트전문가, 자료해석 전문가로 구성됐다고 말했다.
SPHEREx/이미지 NASA.NISS 다음의 적외선 망원경 프로젝트는 SPHEREx. 전천을 탐사하게 된다. 미국 캘리포니아공대 제이미 보크 교수와 함께 준비하고 있다. NASA의 최종 프로젝트 승인을 기다리고 있다. 그러면 또 한 걸음 앞서게 된다.