'빅뱅 이후 우주 지도' 그릴 스피어x 망원경 시험 장비 개발

이해성 기자

입력2022.08.17 01:00 수정2022.08.17 01:00

과학기술정보통신부 산하 천문연구원
스피어x 망원경 시험용 '극저온 진공챔버' 설계
경남 함안 중소기업 SAT가 제작
스피어x, 제임스웹 망원경(JWST)과 함께
외계인 거주 행성 찾는다

최근 임무를 시작한 '인류 역사상 최고 성능 망원경' 제임스웹 우주망원경(JWST)과 짝을 이뤄 우주의 비밀을 파헤칠 '스피어x 망원경' 시험 장비를 국내 연구진이 개발했다.

과학기술정보통신부는 미국 항공우주청(NASA)이 2025년 발사 예정인 세계 최초 전천(온 하늘) 탐사망원경 '스피어x' 성능 검증 장비인 '극저온 챔버'를 천문연이 개발해 지난 6월 미국으로 보냈다고 16일 발표했다.

스피어x는 지구 상공 700km 태양동기 궤도에서 우주 관측 임무를 수행하는 망원경이다. 태양동기 궤도는 위성 궤도면 방향·주기가 지구 공전 방향·주기와 같은 궤도로, 이 궤도에선 태양과 이루는 각이 일정해 특정 지역을 늘 같은 시간에 볼 수 있다. 한반도 관측·정찰 위성인 다목적실용위성(아리랑) 시리즈가 이 궤도에서 임무를 수행한다.

NASA 제트추진연구소(JPL), 캘리포니아공대(Caltech), 애리조나주립대, 존스홉킨스대, 아르곤국립연구소, 하버드-스미소니언 천체물리연구센터 등 12개 기관이 스피어x를 개발중이다. 스피어x는 2025년 4월 스페이스X의 팰컨9 로켓에 실어 발사할 예정이다. 발사 후 2년 6개월동안 온 하늘을 102개 색깔로 촬영하는 임무를 맡았다.

온 하늘에 대한 적외선 분광 탐사는 이번이 세계 첫 시도다. 천문연 관계자는 "스피어x가 임무를 마치면 0.75~5 마이크로미터(㎛) 파장 범위(근적외선)에서 약 20억 개 천체 각각에 대한 분광 관측 자료를 영상으로 획득할 수 있게 된다"고 설명했다.

분광 관측은 파장에 따라 내는 빛의 밝기를 측정하는 것이다. 138억년 전 '빅뱅' 후 계속 팽창해 온 우주 구조를 들여다보기 위해선, 팽창에 따라 개별 천체들이 지구로부터 얼마나 빨리 멀어져 가고 있는지(적색이동)를 알아야 한다. 적색이동 관측을 위해선 개별 천체들의 분광 정보가 필수적이다.

스피어x가 우주로 향하면 우주의 3차원 공간 정보를 토대로 '적외선 우주배경복사'의 수수께끼를 푸는 실마리가 발견될 것으로 보인다. 나아가 생명체가 존재하는 외계 행성 탐사에도 기여할 것으로 예상된다.

천문연 관계자는 "스피어X 망원경이 넓은 숲을 본다면, 제임스웹 망원경(JWST)은 숲의 나무 하나 하나를 굉장히 세밀하게 볼 수 있는 망원경"이라며 "스피어X가 특이한 천체를 발견하면 JWST가 이를 자세히 분석하는 순서로 연구가 진행될 예정"이라고 설명했다. NASA, ESA(유럽우주청) 등이 30년간 10조원 이상을 들여 개발한 JWST는 지난해 말 아리안5 로켓에 실려 발사됐다. '인류 역사상 최고 성능의 적외선 탐지 망원경'인 JWST는 현재 지구에서 150만km 떨어진 '라그랑주 포인트'에서 맹활약 중이다.

천문연이 개발한 극저온 진공 챔버는 우주 환경을 그대로 구현해 스피어x 의 광학 장비 성능을 사전에 검증하는 장비다. 스피어x를 통째로 챔버에 집어넣고 80K(섭씨 -193.15도)까지 냉각하며 진공 상태를 만든다. 스피어x가 촬영하는 사진 초점이 제대로 됐는지, 사진 각 부분에서 어떤 색깔이 보이는지 측정하는 역할 등을 한다. 캘리포니아공대와 천문연이 설계하고 경남 함안 소재 중소기업 SAT가 제작했다.

다만 천문연은 스피어X 망원경 본체 및 탑재체 제작엔 참여하지 않는다. 천문연 관계자는 "본체 등 개발은 비밀이라 NASA에서 (제작 참여를) 허용하지 않았다"고 이날 세종 과기정통부 청사에서 열린 브리핑에서 밝혔다.

스피어X 프로젝트는 2015년부터 한화로 약 2800억원이 투입됐다. 2016년 여기에 합류한 천문연은 미국 외 기관으로 유일하게 참여하고 있다. 한국이 들인 예산은 이 가운데 150억원 가량이다.

이해성 기자

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지하 1100m 어둠 속에서 '우주 암흑물질의 비밀' 푼다

올 들어 한국 첫 로켓 누리호와 첫 달 탐사선 다누리가 잇달아 우주로 향했다. 우주는 새까맣게 보인다. 여기서 무수한 항성(별)이 탄생하고 사라진다. 태양도 별 중에 하나다. 지구, 달 등 행성도 우주에서 나고 자란다. 우주의 26.8%는 암흑물질(dark matter)로 구성돼 있다. 별들의 운동에 지대한 영향을 주는 암흑물질은 ‘존재한다’는 사실과 분포 형상이 알려졌을 뿐, 어떤 성분으로 돼 있는지 아직 전혀 알려진 바 없다. 노벨물리학상 단골 주제인 중성미자도 암흑물질과 밀접한 관계가 있을 것으로 추정된다.과학기술정보통신부 직할 연구기관인 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단이 암흑물질을 규명하기 위해 나섰다. 성공하면 과학 분야 ‘한국인 최초 노벨상 수상’으로 이어질 수도 있는 연구다. IBS 관계자는 11일 “다음달 강원도에 암흑물질의 정체를 밝힐 지하 연구시설을 준공할 예정”이라고 말했다. 국내 유일한 철광산인 한덕철광이 있는 강원 정선군 신동읍 예미리 지하 1100m에 들어설 이 연구시설 이름은 지명을 따 ‘예미랩’으로 지었다.예미랩의 임무는 암흑물질 구성 유력 후보인 ‘윔프’ 입자의 존재를 밝히는 것이다. 윔프는 ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’란 뜻이다. 한국이 낳은 천재 과학자 이휘소 박사의 1977년 유작 논문에서 개념이 처음 제시됐다. 현재까지 밝혀진 바에 따르면 윔프의 속도는 여름 기준 무려 초속 250㎞(마하 735.3)에 달한다. 윔프의 존재를 포착했다고 주장하는 실험은 현재까지 이탈리아 그랑사소 입자물리연구소 다마 연구그룹이 진행한 ‘다마 실험’이 유일하다.지구로 날아온 윔프는 지하 연구시설 검출기 내 특수하게 만든 결정과 충돌하는 과정에서 모습을 드러낸다. 윔프가 결정 원자핵과 충돌하면 결정에서 광자(빛)가 방출되는데, 이 신호를 포착하는 것이다. 검출기는 뮤온 등 중성미자나 우주 방사선 영향(노이즈)을 줄이기 위한 ‘차폐’를 얼마나 잘하느냐가 관건이다. IBS 지하실험연구단은 강원 양양 양수발전소 지하 700m 실험실에서 다마 실험 결과를 반박하는 논문을 내 2018년 말 세계 3대 학술지 ‘네이처’에 실었다. 이 논문 작성엔 서울대 고려대 등 국내 대학과 미국 예일대 일리노이대, 영국 셰필드대 등 세계 15개 기관이 참여했다. 예미랩은 이런 암흑물질 연구에 속도를 더할 것으로 기대된다.예미랩의 또 다른 중요한 임무는 ‘이중베타 붕괴 실험’이다. 중성미자와 중성미자의 반입자(반대 성질을 가진 입자)인 반중성미자가 ‘완전히 다른 입자냐, 아니면 같은 입자의 또 다른 얼굴이냐’를 규명하는 것이다. 물리학계의 80년 난제인 이 문제를 푼다면 노벨물리학상 수상으로 이어질 것으로 학계는 보고 있다. 현재 IBS 지하실험연구단을 비롯해 세계 20여 개 그룹이 암흑물질 연구와 이중베타 붕괴 실험을 지하에서 하고 있다.예미랩 건설엔 350억원이 들었다. 70여 명의 연구인력을 둔 IBS 지하실험연구단은 매년 85억원 안팎의 예산을 지원받고 있다. 김영덕 IBS 지하실험연구단장(세종대 교수)은 “기초과학은 자연의 법칙을 연구하는 것인데, 암흑물질은 인류가 가장 모르고 있는 자연의 법칙”이라며 “우주의 탄생과 끝, 별의 흥망성쇠를 좌우하는 게 암흑물질인 만큼 더 깊은 연구가 필요하다”고 말했다. 지하실험연구단은 지난해 IBS 30여 개 연구단 가운데 ‘최우수’ 평가를 받았다.올해로 문을 연 지 10년째를 맞은 IBS는 세계적 연구 성과를 시나브로 축적하고 있다. 지난해 피인용 상위 1% 논문 비율, 논문당 평균 인용 횟수 등 지표에서 미국 로런스버클리국립연구소와 아르곤국립연구소, 독일 막스플랑크연구소, 일본 이화학연구소, 프랑스 국립과학원 등 세계적 연구기관과 어깨를 나란히 하고 있다. 한국에서 ‘노벨상 수상에 근접한 과학자’로 꼽히는 5명 가운데 3명(유룡 KAIST 명예교수, 현택환 서울대 교수)이 IBS에서 연구했거나 연구 중이다.이해성 기자 ihs@hankyung.com