현재 우리는 과거 그 어느 때보다도 우주에 대해 잘 알고 있는데, 그게 바로 문제다. 빅뱅으로부터의 잔광, 암흑 물질의 증거, 먼 별들 둘레로 도는 행성들 등 지난 50년간의 주요한 천문학적 발견들은 하나같이 보다 크고 복잡한 우주 관련 의문들을 야기하는 데 일조했다.
먼 행성들에도 생명체가 있을까? 빅뱅 이후 첫 별들은 어떻게 생성되었을까? 우주는 반중력으로 차 있는 것일까? 만약 그렇다면 반중력은 무엇일까? 가장 궁금한 건 우리가 아직도 모르고 있는 게 무엇일까라는 점이다.
이런 의문들에 대한 대답은 한가한 사색을 통해서는 얻을 수 없다. 이런 대답은 탁월한 망원경들을 만들어야 얻을 수 있다. 향후 10년간 컴퓨터의 힘을 빌어 구상 및 설계되고 제작될 첫 망원경들은 우주를 향해 렌즈를 연 채 우주에 대한 우리의 근본적인 이해를 뒤흔들어 놓을 것이다.
이 망원경들 중 일부는 바로 전 페이지에 나온 중력파를 타는 세 개의 위성들처럼 기존의 망원경들과는 전혀 모습이 다르지만 우주 깊숙한 곳까지 관측해 우주의 특이성과 낯선 모습을 밝혀낼 성능을 갖추고 있다.
지금부터 가장 중요하고 대담하며 강력한 장비들 10가지를 소개하는데, 이중에는 크기가 너무 커 로켓에 접어 넣어야만 하는 우주 망원경이나 충돌하는 블랙홀들로부터 발생하는 우주 시간의 물결을 탐지하는 궤도 레이저 장치, 지구 질량을 보호막으로 이용하는 남극의 중성자 탐지기도 있다. 향후 수십년간 이 장비들은 우주의 어떤 비밀을 밝혀낼까?
이 의문에 대한 대답은 가장 큰 미스테리를 불러 일으킬 것이다.
1. 제임스 웹 우주 망원경
밤하늘의 절대 군주
스폰서 ) NASA, 우주 망원경 과학 연구소
위치 ) 지구 상공 1백만 마일의 궤도
비용 ) 25억 달러
완성 예정 ) 2011년
URL ) jwst.nasa.gov
2011년 8월 프랑스 구야나의 발사대로부터 솟아오르는 아리안 로켓 꼭대기에는 베릴륨과 금으로 된 6.5미터짜리 거울이 우아한 테이블처럼 1/3로 접힌 채 이륙시의 엄청난 관성력을 버텨내고 있게 될 것이다. 제임스 웹 우주 망원경의 1차 거울은 차고 두 개만한 크기로 이를 펼친 채로 실어나를 공간이 로켓내에 없다.
일단 우주에 도달하면 사상 최대의 망원경이 거울을 펼치고 2,400 평방 피트짜리 햇볕 가리개를 편 채 지구로부터 1백만 마일 떨어져 중력이 매우 약한 지점인 라그랑지 포인트 2 둘레의 궤도를 선회하게 된다. 왜 수리나 업그레이드를 할 수 없는 그 먼 곳에 망원경을 설치하는 것일까? 왜냐하면 그렇게 먼 곳에서는 적외선 망원경이 지구 열의 영향을 받지 않기 때문이다.
알다시피 JWST는 군인들이 어둠속에서 적을 찾아내는 데 사용하는 야시경 같은 적외선 카메라로 우주를 관측하지만 그와는 비교가 안 될 정도로 민감하다. JWST 프로젝트 과학자인 존 매서는 이 탐지기가 “기막힐 정도로 탁월”하고 “거의 완벽하다”고 말한다. 지구 궤도로부터 1백만 마일 떨어져 있고 햇볕 가리개와 거울들을 절대 0도보다 불과 37 높은 초저온으로 유지해 주는 장치 덕분에 망원경 근처에서 발생하는 열은 모두 노이즈로 나타난다. 이 망원경은 적외선에 매우 민감해 시간당 양자 몇 개만 방출하는 별들이나 은하를 찾아낼 수 있다고 마서가 자랑스럽게 말한다.
도대체 어떤 별이나 은하들이 적외선 광자들을 그렇게 적게 방출하는 것일까? 우주의 시공간상으로 엄청나게 멀리 있는 것들이다. 그렇다면 톱기사감이다. 에드윈 허블이 1929년 은하가 서로 멀어지고 있음을 입증한 이후 시간을 거슬러 우주를 더 멀리까지 볼 수 있는 망원경 제작 경쟁이 벌어졌다.
JWST는 굉장히 크고 차가우며 매우 민감하기 때문에 “빅뱅 이후 형성된 최초의 빛나는 물체”를 찾아낼 수 있을 거라고 매서는 말한다. 만약 JWST가 이 목표를 달성하면 우리는 어떤 측면에서 선의 끝부분에 도달한 셈이 된다. 미래의 어떤 망원경도 우주의 시공간상 더 멀리 떨어져 있는 별들을 보여줄 수가 없게 된다. 그런 별이 없기 때문이다.
NASA의 두 번째 책임자의 이름을 딴 JWST는 차세대 우주망원경이라고 불렸는데 탐사 계획가들은 이런 명칭을 진지하게 받아들였다. 컴퓨터 성능이 향상되고 보다 나은 재료와 정밀 장치들 덕분에 오늘날 이런 망원경에 응용할 수 있는 기술은 무궁무진하다.
그중에는 수십억 광년을 날아 온 광자 한 개를 감지하는 감지기들과 모터가 달린 126개의 액츄에이터를 통해 한 번에 10나노미터씩 모양을 조절하는 거울도 있다. JWST의 거울은 가공이 극히 까다롭기로 유명한 베릴륨으로 조각되지만 굉장히 가벼워 6.5미터짜리 거울이 지금까지 제작된 망원경 중 최고인 허블 망원경의 2.4미터짜리 거울 무게의 1/3이 될 것이다.
JWST는 적외선 반사 효과가 탁월한 순금으로 1마이크론 두께로 도금된다. “25년 전에는 열악한 장비들로 설계를 해야 했기 때문에 대부분 감으로 허블 망원경을 제작했습니다. 허블은 우주왕복선이 수리하도록 되어 있었죠. 이제 우리는 모든 것을 미리 분석하고 계획할 수 있습니다”라고 매서가 설명한다. JWST는 가격이 25억 달러나 하는 가장 비싼 망원경이지만 그에 걸맞는 혁신적인 성능을 갖추고 있다.
허블 망원경처럼 JWST도 좋은 아이디어가 있는 천문학자라면 누구나 이용할 수 있다. 최초의 물질 포착 외에도 JWST는 태초의 태양계가 형성되었던 지역의 영상 촬영과 암흑 물질과 암흑 에너지의 증거 수집, 해왕성과 명왕성의 놀라운 모습 촬영 임무를 수행할 것이다. JWST는 당대 최고의 장비로 천문학 연구의 중심축 역할을 하게 될 것이다. 천문학자들은 이 망원경에 한 가지 확실한 기대를 하고 있다. “JWST는 우리를 놀라게 해 줄 겁니다. 허블로 관측한 결과의 1/2~2/3는 우리의 예상을 뒤엎었습니다. 우리가 우주에 대해 예측하지도 못했던 것들을 발견하게 될 겁니다”라고 말하며 매서는 차세대 망원경들이 해결해야 할 새로운 질문들을 제기한다.
2. 직경 30미터짜리 망원경
우주의 탄생을 조사하는 초대형 망원경
스폰서 ) 연구소-대학간 컨소시엄
위치 ) 지구상, 장소는 미정
비용 ) 7억 달러(추정치)
완성 예정 ) 2014년
URL ) astro.caltech.edu/observatories/tmt
차고 크기만한 18개의 6각형 거울이라니 대단하다. 로켓에 탑재해 우주로 쏘아 올릴 필요가 없는 차세대 지상 설치형 초대형 망원경에는 20레인짜리 보울링장 크기만한 1차 거울이 달리게 된다. 이 망원경을 길이 방향으로 세우면 7층짜리 건물 높이가 된다. 이 망원경에 물을 채우면 50명의 아이들이 충분히 놀만한 수영장이 된다.
하지만 TMT 설계를 맡고 있는 연구소-학계 콘소시엄에서는 이 망원경에 물 대신 빛을, 그것도 지금껏 천문학자들이 한 개의 거울에 모았던 양보다 훨씬 대량으로 담게 된다. 이 망원경의 집광 성능은 현재 세계 최대 규모인 망원경 10개를 합쳐 놓은 것보다도 더 높다. 설계자들은 향후 “JWST 시간 개념에 맞춰” 10년간에 걸쳐 이 망원경을 완성하고 싶어한다고 TMT 프로젝트 매니저인 게리 샌더스가 말한다.
JWST의 존 매서는 두 프로젝트가 모두 성공하기를 간절히 바라고 있다. 궤도상의 허블 망원경과 하와이 마뉴아 키 꼭대기의 켁 망원경들이 지상과 우주에 설치된 망원경들이 상호보완적임을 입증했기 때문이다. 두 망원경이 함께 할 때의 성능은 각각의 성능을 합친 것보다 우수하다. 텅빈 암흑과 별빛간의 대비가 뚜렷한 우주의 어둠속에서 JWST 같은 망원경은 예전에 아무도 본 적이 없는 매우 희미한 물체도 포착할 수 있다. 일단 JWST가 이러한 물체들 중 하나를 포착하면 TMT가 해당 물체를 오랜 시간동안 관측하면서 보다 선명한 이미지를 촬영하고 어떤 물질로 되어 있는지 테스트한다.
이 과정은 마치 생물학자가 들로 나가 관심있는 식물 표본을 채집해 연구실로 가져온 뒤 현미경으로 자세히 연구하는 것과 유사하다. 이 경우 표본은 우주 생성 초기의 별들이고 현미경에 해당하는 TMT는 이런 별들이 어떻게 융합되는 핵 코어에서 탄소나 철 같은 무거운 원소들을 만들어냈는지 밝혀낼 것이다.
천문학자들은 분광기법을 이용해 우주가 나이가 들면서 이런 원소들이 형성된 과정을 추적한다. TMT는 최초의 별들에서 나온 빛을 다양한 파장으로 분리해 낸다. 이 별들 내의 원소들은 특정 진동수의 빛을 흡수하기 때문에 각 별의 스펙트럼들 중 가장 약한 진동수를 추적해 천문학자들은 별들의 구성 원소와 별마다 포함된 원소들의 양을 알아낼 수 있다.
TMT는 망원 렌즈의 직경이 크기 때문에 다른 어떤 망원경보다도 선명한 이미지를 제공한다. 이 때문에 JWST로는 흐릿하게 보이는 별들이 TMT로는 선명하게 보인다. JWST처럼 TMT는 폭넓은 성능을 갖춰 다양한 천문학 연구에 사용된다. 직경이 크기 때문에 이 망원경은 사상 처음으로 다른 항성 둘레를 도는 행성의 이미지를 포착할 가능성이 높다.
하지만 우선 이 망원경을 제작부터 해야 하는데 한 가지 문제가 있다. 이 문제는 기술적인 것이 아니라 운송과 예산상의 문제이다. TMT 그룹은 망원경 제작 방법은 알고 있지만 NASA와 같은 대형 스폰서가 없다. 캘리포니아 공대와 천문학 연구를 위한 대학 연합회, 천문학 연구 캐나다 대학 연합회로 구성된 이 콘소시엄은 국립과학기금과 민간 기금, 개별 기부자들의 자금 지원에 의존하고 있다. TMT 설계의 핵심은 망원경을 가급적 저렴하게 개발하는 것이다.
예를 들어 분할형 거울을 예로 들어보자. TMT의 거울은 10년 된 켁 망원경의 수제작된 36개의 6각형 거울들과 유사하지만 개수가 1,000개나 된다. “이 거울을 모두 손으로 제작할 순 없습니다”라고 샌더스가 말한다. “포드차 생산라인처럼 거울을 대량생산할 수 있도록 기본적인 거울 제작 기술을 개선할 필요가 있습니다.” “일단 제조과정이 자동화되면 향후 훨씬 더 큰 망원경 제작의 기틀을 다지는 셈이 되어 직경 100미터짜리 망원경 제작 문제도 수월하게 해결될 겁니다”라며 이런 점이 잠재 투자가들에게 인센티브가 될 거라고 그가 말한다. 일단 사상 최대의 망원경을 제작한다고 하더라도 이것을 지구상의 어디에 설치할 것인가 하는 과제가 남아 있다.
샌더스와 그의 팀은 멕시코와 하와이, 칠레에 후보지 몇 군데를 물색해 놨지만 땅 투기꾼들이 해당 지역들의 땅을 모두 사들일까봐 이 지역들의 위치를 비밀로 하고 있다. 최적지가 되기 위해서는 여러 가지 요건을 만족해야 한다. 우선 인근 지역 불빛의 방해를 받지 않는 외진 곳이어야 하고, 수증기로 인한 대기상의 왜곡이 발생하지 않도록 건조한 곳이어야 한다. 바람도 약하게 부는 곳이어야 한다. 이같은 초대형 구조물은 바람에 초고층 건물처럼 흔들려 이미지가 흐려질 수도 있기 때문이다. 더욱이 이들은 밤에 구름이 많이 끼지 않는 지역을 찾고 있다. “사상 최고의 망원경에 걸맞는 지역이 필요합니다”라고 샌더스가 말한다.
3. 아이스 큐브
은하계에 묻혀 보이지 않는 것을 찾는 장치
스폰서 ) 위스콘신 대학
위치 ) 남극 얼음속
비용 ) 2억7,200만 달러
완성 예정 ) 2010년
URL ) icecube.wisc.edu
일반인들처럼 과학자들도 얼핏 보면 황당하고 부질없어 보이는 짓들을 한다. 현재 진행중인 큐브 망원경의 건설을 생각해 보자. 5메가와트짜리 고온 수압 절단기를 이용해 기술자들이 아문센-스콧 남극 기지에서 1.5마일 떨어진 곳의 얼음판에 폭 60cm짜리 구멍을 뚫고 있다.
물이 다시 얼기 전에 이들은 크리스마스 트리 장식용 전구들처럼 케이블에 매달린 구형 카메라 케이스들을 구멍에 삽입한다. 기술자들이 작업을 마치는 2010년에 아이스 큐브의 80개 수직 끈들이 1입방 킬로미터의 얼음 밑 1.4~2.4킬로 미터 지역을 장식하게 될 것이다. 이것은 단단한 얼음 덩어리들을 관측하는 4,800개의 카메라들이다. 백조들끼리의 난잡한 성관계 연구만큼이나 부질없는 짓 같아 보이겠지만 절대로 그렇지 않다. 가장 특이한 장치들 중 하나인 아이스 큐브는 가장 혁신적인 장치이기도 하다. 지금껏 연구된 바가 전혀 없는 우주 중성 미자를 추적하기 때문이다.
이 글을 읽는 동안에도 무수히 많은 중성 미자들이 여러분의 몸과 이 잡지, 집과 지구를 관통하고 있다. 평생동안 그렇게 많은 중성 미자들이 우리 몸을 관통하지만 그중 어느 것도 몸에 영향을 미치지 않는다.
중성 미자들은 양성자와 중성자, 원자 같은 보통 입자들과 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 과학자들조차도 최근에서야 이 입자를 포착하는 방법을 알게 되었다. 과학자들이 탐지해 낸 중성 미자들은 대부분 특정 순간에 지구 주위를 떠돌아다니는 태양과 지구 대기로부터 발생한 것들이었다. 하지만 감마선 붕괴와 퀘이서, 블랙홀과 우주를 결속시키는 신비한 무게의 물질인 암흑물질로부터 직접 날아오는 고에너지의 중성 미자들도 있다. 아이스 큐브는 이런 우주 중성 미자들을 포착하는 최초의 “망원경”으로 고에너지 우주를 관측하는 도구가 될 것이다.
아이스 큐브의 광증폭 카메라들을 통과하는 중성 미자 100만 개 중 한 개가 우연히 얼음 속의 원자핵과 정면 충돌해 체렌코프라는 푸른 빛을 방출하는 뮤온 입자가 발생할 것이다. 냉장고의 얼음과 달리 남극의 얼음은 놀라울 정도로 투명해 푸른 빛은 얼음 속 100미터 아래까지 전달된다. 각 뮤온의 방출 위치가 몇 대의 카메라에 포착되면 삼각법으로 위치와 방향이 계산된다. 각 카메라에 장착된 컴퓨터 칩은 남극 기지에 있는 컴퓨터와 연결되어 있다. 이곳에서 이 자료들은 다시 보다 따듯한 북미 지역 사무실로 보내진다.
아이스 큐브가 중성 미자 탐지기에서 중성 미자 망원경으로 전환하는 데 삼각법이 핵심 역할을 한다. 빛을 방출하는 뮤온은 원래의 중성 미자와 같은 방향으로 움직이기 때문에 아이스 큐브는 중성 미자의 진입 방향을 우주에서 찾아낼 수 있다. 워낙 특이한 망원경이라 남극 얼음 속에 설치되었으면서도 관측 범위는 북쪽 하늘이다.
아이스 큐브는 남극에 있으면서도 대부분 북반구의 중성 미자 측정을 수행한다. 남반구의 중성 미자들은 대부분 왜곡된 대기중의 중성 미자들로 먼 우주에 관해 아무런 정보도 제공하지 않기 때문이다. 아이스 큐브는 지구를 대기중의 중성 미자를 차단하고 고에너지의 우주 중성 미자들만 통과시키는 방어막으로 이용한다.
위스콘신 대학 물리학자인 프란시스 할젠은 이 프로젝트의 팀장으로 아이스 큐브를 통해 고에너지 중성 미자를 방출하는 퀘이서와 은하의 핵, 블랙홀과 감마선 폭발 연구에 진전이 있기를 바란다. 중성 미자는 상호작용을 하지 않기 때문에 이런 현상 연구에서 광자보다 더 적합하다. 아이스 큐브가 포착할 중성 미자들 중 일부는 퀘이서의 핵으로부터 오는 것들이지만 퀘이서에서 방출된 광자는 최외곽에서 날아온 것들이다. 이 대형 망원경은 암흑 물질의 연구 도구이다. 은하계의 중력 특성을 관찰함으로써 우주에는 우리가 눈으로 볼 수도 없고 성질도 모르는 물질이 차 있음을 알고 있다. 중성 미자는 우주에서 이런 암흑 물질이 소멸할 때 생성될 지도 모른다.
만약 그렇다면 아이스 큐브를 통해 이들을 포착해 이 신비하고 보이지 않는 우주 물질을 자세히 살펴볼 수 있게 될 것이다. 하지만 이 외에도 아직 밝혀지지 않은 사실들이 많다.
특히 2억7,200만 달러의 저예산으로는 이 모든 것을 알아내기 어렵다. 중성 미자를 아직 본 적도 없기 때문에 이 입자들을 통해 우주의 어떤 특성을 알아낼 수 있을지도 모른다. “그게 바로 제일 흥분되는 점입니다”라고 할젠이 말한다. 최근 국립 연구 위원회 논문 새 천년의 천문학과 천체물리학 공동 집필한 버클리대 천체물리학자 크리스토퍼 맥키는 이렇게 말한다.
“전혀 다른 영역을 들여다 보면 중요한 발견을 할 가능성이 높습니다. 엑스레이 천문학을 통해 처음으로 블랙홀을 발견한 것처럼 말이죠. 아이스 큐브는 정말 미지의 세계로 가는 문입니다.”
4. 케플러
먼 우주로부터의 신호를 기다리며
스폰서 ) NASA
위치 ) 태양 둘레로 지구를 좇는 궤도
비용 ) 4억6,700만 달러
완성 예정 ) 2007년
URL ) kepler.arc.nasa.gov
다음번에 별들을 바라볼 때 핑크 플로이드의 음악을 떠올리며 오래된 질문 한 가지를 해 보자: 거기 누구 없어요?
만약 이웃한 별의 외계인이 손을 흔들며 화답으로 “유후! 여기요!”라고 대답한다면 멋진 일이 아닐까? 문제는 손 흔드는 외계인을 볼 수 있을 정도의 망원경은 고사하고 다른 항성 둘레로 공전하는 행성을 관찰할 정도의 망원경도 만들지 못한다는 점이다. 우리가 할 수 있는 최선의 방법은 행성과 항성간의 만유인력으로부터 행성의 존재를 유추하는 것인데, 각속도라는 이 기법은 해왕성이나 그보다 더 큰 초대형 가스 행성들에만 적용된다. 현재까지 150여 개의 가스형 행성들이 발견되었다. 우리가 보고 있는 것은 볼 능력이 있는 기이한 현상들 뿐일지도 모른다. 하지만 아직 지구와 비슷한 단단한 구조의 행성은 볼 수 없다. 안타깝게도 외계인이 손 흔드는 모습은 영원히 볼 수 없을 것이다.
하지만 흔적은 볼 수 있을 지도 모른다.
다정한 외계인이 항성 둘레를 지구 시각에서 볼 때 수평으로 공전하는 행성에 앉아 있다고 상상해 보자. 우리 시각에서 보면 이 행성은 항성 뒤로 숨었다가 가로질러서 항성 앞쪽으로 다시 나타난다. 행성이 항성 앞면을 가로지를 때 항성 광선의 극히 일부분을 가리게 된다. 그 결과 항성은 희미하게 깜빡이는 것처럼 보이게 된다. 그런 깜빡임을 볼 수 있다고 하더라도 그곳에 외계인이 사는지는 알 수 없다. 하지만 그 행성에 단단한 지각이 있음은 알 수 있다.
이것이 2007년 10월에 발사될 케플러 탐사선의 임무이다. 케플러는 NASA 아메스 연구소의 우주과학자 윌리엄 보러키가 생각해 낸 것이다. 그는 외계 행성들이 발견되기 11년 전인 1984년에 행성 탐사의 가능성을 연구하기 시작했다. 그는 처음부터 공전하는 지구 크기의 행성 탐색이 얼마나 어려운 일인지 깨달았다. 하늘에 떠 잇는 별들이 모두 행성이 있다고 해도 200개당 한 개만이 항성의 최외곽을 수평으로 돌며 항성 전면부를 지난다. 게다가 암석이 있는 행성은 매우 작기 때문에 항성의 빛 속에서 미세하게 흐릿한 10만분의 1 부위를 식별해 낼 수 있는 탐지기가 필요하다. 이것은 멀리 있는 전구 앞을 지나는 모래 알갱이 한 개를 탐지하는 일과 같다.
200분의 1 확률 문제(혹은 모든 항성들에 행성이 없을 경우 확률이 더 적다!)를 극복하기 위해 케플러는 많은 항성들을 관측해야 한다. 직경 0.95미터짜리 이 망원경은 은하수의 일부를 선택한 후 광대한 시야의 별들을 포착한다. 그리고는 기다린다. 다양한 흥미로운 대상들을 찾기 위해 하늘을 탐색하는 대부분의 망원경들과 달리 케플러는 움직이지 않은 채 10만 개의 별들을 4년간 지속적으로 관측한다. “깜빡이는 별을 찾으려면 저희도 깜빡여서는 안됩니다. 케플러는 하늘을 촬영하는 거대한 캠코더죠. 별들 중에 조금이라도 깜빡거리는 게 있으면 알게 될 겁니다”라고 보러키가 말한다.
일반적으로 암석형 행성은 작고 가스형 행성은 크다. 그렇지 않으면 사라져 버리기 때문이다. 케플러는 행성의 크기를 7퍼센트 오차 범위 내에서 측정할 수 있기 때문에 어떤 행성이 바위로 이루어져 있는지 알 수 있게 될 것이다. 그 외에도 케플러는 기온이 적당해 물이 있고 외계인이 존재할 수 있는 거주 가능 행성들도 찾아낼 것이다.
하지만 가장 중요한 것은 케플러가 많은 항성들을 탐색한다는 점이다. 이것은 최초의 계획적인 외계 행성 탐색 방법이다. 이를 통해 통계치가 생성되면 그 결과를 통해 지구와 유사한 행성의 존재 가능성 외의 훨씬 더 많은 정보를 알게 될 것이다. 즉 그런 행성이 얼마나 희귀하거나 일반적인지 알 수 있게 된다. “지구 같은 행성의 평균적인 존재 가능성에 대해 합일점이 형성될 겁니다”라고 보러키가 말한다. “지구와 같은 행성이 많이 발견되면 외계 생명체도 많은 겁니다. 그렇지 못하다면 스타트렉이 허구가 되겠죠.”
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