웹 망원경이 우주의 기원을 엿볼 수 있게 하는 이유

멀어지는 물체의 빛 파장이 길어지는 도플러 효과로

빅뱅 직후 빛은 적외선뿐…거울 큰 웹망원경 포착 가능

[서울=뉴시스] 우주공간에 펼쳐진 제임스웹 우주망원경 상상도. (사진=미 항공우주국 홈페이지 캡처) 2022.01.25

[서울=뉴시스] 강영진 기자 = 제임스 웹 우주망원경이 보내온 심우주의 영상이 많은 사람들의 경탄을 자아내고 있다. 미국 뉴욕타임스(NYT)는 12일(현지시간) 심우주를 들여다보면 우주의 기원도 알 수 있다며 그 원리를 설명했다.

멀리 볼 수 있으면 수십억년 전 과거도 볼 수 있다

빛의 속도는 초속 약 30만km다. 1년에 10조km를 가는 속도다. 이것을 1광년이라고 부른다. 광년은 우주의 거리를 측정하는 단위로 사용된다. 여기에 멀리보면 과거도 볼 수 있는 비결이 담겨 있다.

10광년 떨어진 별이 있다고 하자. 이는 우리가 보는 그 별의 빛이 10년전에 별에서 뿜어져 나온 것이라는 뜻이다. 태양의 빛은 지구에 도달하는데 8분 정도가 걸린다.

웹 망원경이 포착할 수 있는 빛 입자 중 가장 멀리서 온 것은 최대 130억년 거리에서 온 것이다. 우주를 130억년 동안 여행한 끝에 웹 망원경에 도착했다는 뜻이다. 그러나 12일 공개된 웹 망원경의 심우주 사진은 모두 10억광년 이내의 거리에 있는 우주의 모습이다.

우주 대폭발(빅뱅) 시기에 대해 더 많은 것을 알면 좋은 이유

[AP/뉴시스]미국항공우주국(NASA·나사)이 제임스웹 우주망원경(JWST)을 통해 관측, 12일(현지시간) 공개한 카리나 성운(Carina Nebula·용골자리 성운)의 모습. JWST은 나사와 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 협력 개발했다. 2022.07.12.

최초의 별이 언제 태어났나, 성운에서 최초의 은하수 성단이 태어난 시기는, 현재의 우주에 퍼져 있는 은하수와 최초의 별 및 은하수는 어떻게 다를까 등등에 대해 우리는 전혀 알지 못한다. 우주 역사의 공백기라고 할 수 있다.

우주가 빅 뱅에서 시작됐다는 건 안다. 대폭발로 생긴 초단파 배경소음이 1964년 처음 발견됐고 이후 수십년 동안 연구가 이뤄졌다. 우주가 식으면서 물질이 합쳐지기 시작했고 최초의 별이 빅뱅 뒤 1억년만에 형성된 것으로 생각된다.

초기의 별들은 지금과 매우 달랐을 것이다. 빅뱅으로 만들어진 물질은 수소와 헬륨, 극소량의 리튬과 베릴륨 뿐이기 때문이다. 더 무거운 탄소, 실리콘, 철 등의 모든 기타 원소들은 존재하지 않았다. 초기 별들은 무거운 원소들이 없어서 크기가 매우 컸고 밝게 불탔으며 생성된 지 얼마 안돼 초신성 폭발을 일으켜 물질을 흩뿌리며 소멸했고 이 물질들이 뒤에 혹성을 형성했으며 우리와 같은 생물도 만들어졌다고 보는 천체물리학자들이 있다.

웹 망원경은 이 시기에 벌어진 일들을 포착해 분석할 수 있는 최초의 우주망원경이 될 가능성이 있다.

웹 망원경이 허블 망원경보다 뛰어난 점들

[NASA=AP/뉴시스]12일(현지시간) 미국항공우주국(NASA·나사)이 배포한 5개 은하의 집합체 '스테판 오중주(Stephan's Quintet)'의 모습. 나사와 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 협력 개발한 제임스웹우주망원경(JWST)으로 촬영됐다. 2022.07.12.

웹 망원경의 거울은 허블망원경보다 훨씬 커서 더 많은 빛을 모을 수 있다. 또 파장이 매우 긴 빛도 포착할 수 있다. 허블망원경은 가시광선과 자외선만 포착할 수 있다.

초기 우주는 적외선을 포착할 수 있어야 관찰할 수 있다. 도플러효과 때문이다. 경찰차가 빠르게 지나칠 때 사이렌소리가 차보다 늦게 들리는 것과 같은 효과다. 빛도 마찬가지다. 우리를 향해 빠르게 다가오는 물체는 파랗게 보이며 멀어지는 물체는 붉게 보인다. 멀어지는 물체가 발하는 빛 입자의 파장이 길어지기 때문이다. 초기의 별과 은하수들처럼 아주 멀리 있는 물체의 빛은 대부분 적외선인 이유다.

지구상에 있는 망원경으로는 적외선 관측이 불가능하다. 대기가 적외선 파장을 차단하기 때문이다. 또 적외선은 열에 의해 쉽게 왜곡된다. 웹 망원경을 지구에서 수백만 km 떨어진 곳에 설치하고 태양빛을 가리는 초대형 방패를 둔 것도 이 때문이다. 웹 망원경에 설치돼 있는 중적외선장비(MIRI)는 영하 266도에서 작동하도록 돼 있다.


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