우주의 별이나 달을 관측할 때 천체망원경을 사용하는데 어디까지 볼 수 있는 것인가요?

Question

현재의 과학기술로 우주의 별이나 달을 관측할 때 천체 망원경을 사용해서 보는데 굉장히 멀리까지 보이고 바로 앞에 있는 것처럼 보입니다.

현재의 과학 기술로 어느 정도의 거리까지 있는 물건이나 별들을 관측할 수 있는 것인가요?

Answer 1

안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.

천체망원경으로 볼 수 있는 거리는 망원경의 성능과 관련이 있습니다.

그리고 천체망원경의 성능은 망원경의 크기와 광학 시스템에 따라 다르며, 일반적으로 지상의 망원경으로는 10등급 정도의 밝기까지 볼 수 있습니다.

그리고 우주를 관측하는 천체망원경의 경우, '볼 수 있는 거리’보다는 '한계등급’이라는 개념으로 접근해야 하는데, 한계등급은 망원경으로 볼 수 있는 가장 어두운 천체의 겉보기 밝기를 의미합니다. 만일, 지구로부터 2억 km 밖에 떨어져 있지 않은 소행성이 너무 작고 어둡다면, 지구에 있는 10m 급 망원경으로도 관측할 수 없습니다. 반면 지구로부터 100조km 떨어져 있는 별이 있는데, 이 별이 굉장히 밝다면 지구에 있는 8인치 망원경으로도 관측할 수 있게 됩니다.

따라서, 말씀하신 천체망원경으로 볼 수 있는 별의 최대 거리는 고성능 망원경이라면 수 백 광년에 달할 수도 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

현재의 과학 기술로 관측 가능한 우주의 거리는 14.26기가파섹입니다. 이는 지구에서 관측 가능한 우주의 가장자리까지의 거리로, 약 465억 광년에 해당합니다. 천체 망원경은 빛을 모아서 확대하는 원리로 작동합니다. 망원경의 크기가 클수록 더 많은 빛을 모을 수 있고, 따라서 더 먼 거리까지 관측할 수 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.

이름은 팽창 우주론을 제창했던, 미국 천문학의 태두라고 할 수 있는 에드윈 파월 허블에서 따왔다. 발사한 지 30년이 지난 현재도 여러 차례 우주왕복선을 투입[2]하여 대대적인 보수 작업을 펼친 덕에 2023년 현재까지 작동 중에 있다.

오차보정 전(왼쪽)과 후(오른쪽)의 M-100 은하 사진. 포토샵 보정이 아닌 구면수차를 보정하는 장치를 만들어서 수리해 보정된 결과의 사진이다.

그런데 발사 직후 뿌연 사진이 전송되어 원인을 확인하는 과정에서 광학장치에 문제가 발견되었다.[8][9] 이로 인해 의회로부터 수십억 불 들여 헛짓거리 했다고 비판을 받았으나, NASA는 이를 바로잡기 위해 우주왕복선을 보내 주 반사경을 수리했고, 소프트웨어적으로도 여러 가지 스킬을 써서 정상 성능을 찾을 수 있었다. 이후에도 네 번에 걸쳐 교정과 유지보수를 하면서 현재는 초기보다도 더욱 선명한 사진을 지구로 보내오고 있다.

2026년 낸시 그레이스 로먼 우주망원경이 우주로 발사 후 정식 운용되기 시작하면 대기권으로 추락해 소멸할 예정이다. 원래는 2000년대 전후로 STS-144라는, 허블을 안전하게 회수해서 스미소니언 항공우주박물관에 전시한다는 페이퍼 플랜이 있었다. 그 비싼 우주왕복선을 발사하는 건 돈 낭비라는 의견도 있었지만, 허블 망원경의 역사적 가치를 고려하면 시도할 만한 가치는 있었다고 할 수 있다. 그러나 STS-107 참사로 이 미션에 투입되기로 예정되었던 컬럼비아를 잃어버리며 계획은 취소되어 버렸다.[3] 사실 컬럼비아로 2년간 셔틀 계획이 싹 정지된 것을 감안하면 2000년대 후반 내지 2010년대 초반에 회수해올 예정이었던 것으로 추측되는데, 정작 2022년에도 허블은 제 기능을 하고 있으며, 2022년에는 점차 낮아지던 허블의 궤도를 다시 회복하여 수명을 연장하는 계획을 NASA에서 발표했다.

제임스 웹의 설계와 개발은 미국항공우주국(NASA)이 유럽우주국(ESA)과 캐나다우주국(CSA)과 협력하여 이끌었다. 망원경의 개발은 메릴랜드에 소재하는 NASA의 고더드우주비행센터(GSFC)가 맡았으며, 망원경의 운용은 볼티모어 존스홉킨스대학교 홈우드캠퍼스에 소재하는 우주망원경과학연구소가 하고 있다. 사업에 참여한 주요 기업으로는 노스롭 그루먼이 있다. 망원경의 명칭은 1961년부터 1968년까지 NASA 국장을 역임하며 머큐리, 제미니, 아폴로 계획을 추진한 제임스 에드윈 웨브의 이름에서 따온 것이다.

제임스 웹 망원경의 주거울은 열여덟 장의 작은 거울 세그먼트로 구성되어 있으며, 거울 세그먼트는 금으로 코팅된 베릴륨 재질이다. 세그먼트가 하나로 모인 주거울은 직경이 6.5미터에 달하여 2.4미터의 허블 주거울보다도 크다. 이러한 주거울의 집광 면적은 25제곱미터로, 허블의 집광 면적의 여섯 배에 달한다. 그러나 근자외선과 가시광선(0.1~0.8 μm), 근적외선(0.8~2.5 μm)[11] 스펙트럼을 관측하는 허블과는 달리, 제임스 웹은 파장이 긴 가시광선(적색)에서 중적외선(0.6~28.3 μm)까지를 관측한다. 제임스 웹은 망원경 자체가 발산하는 적외선이 외부의 빛을 받아들이는 데 방해가 되지 않도록 50 K (−223.2 °C; −369.7 °F)보다 낮은 극저온 상태를 유지해야 한다. 지구 근처에서 제임스 웹을 가열할 수 있는 열원으로는 태양과 지구와 달이 있는데, 제임스 웹은 차양막이 이 셋을 동시에 가릴 수 있도록 지구에서 150만 킬로미터가량 떨어진 태양-지구 L2 라그랑주점 근처에서 태양을 도는 궤도에 위치한다.

1996년, 최초 구상 단계에서 제임스 웹 우주 망원경은 차세대 우주 망원경(영어: Next Generation Space Telescope, NGST)이라는 명칭이 주어졌었다. 1999년에는 10억 달러의 예산과 2007년 발사를 목표로 두 가지 컨셉의 연구가 진행되었다. 하지만 초창기 사업은 막대한 비용 증가와 개발 지연으로 난항을 겪었고, 2005년에 이르러서 지금 형식의 대대적인 재설계를 거친 후 2016년에야 100억 달러에 이르는 총비용으로 망원경을 완성하였다. 이 때문에 언론과 과학자와 공학자들은 망원경의 복잡성과 발사의 큰 위험 부담에 관해서 주목하고 우려한 바 있었다.