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[비즈한국] 작년 크리스마스에 제임스 웹 우주 망원경이 지구를 떠났다. 딱 한 달이 지난 지금 드디어 최종 궤도, 라그랑주 2(L2) 포인트에 도착했다! 이 한 달 동안 태양 빛 펼치고 주경 과 부경 거울 을 모두 펼치는 까다로운 과정도 무사히 진행 했다. 거울의 배열과 초점 을 맞추는 일 남아 남아 있지만 있지만제 제임제임 웹 은 예정 궤도 에서 흐릿하게나마 사진 촬영 자체 는 가능 한 상태 가 되었다. 우주 망원경의 최소 조건은 모두 갖춘 셈이라 할 수 있다.

제임스 웹 우주 망원경이 도착한 태양-지구 L2 포인트는 지구에서 약 150 만 km나 떨어졌다. 지구-달 사이 거리의 네 배다. 이렇게 먼 곳을 불과 한 달 만에 도착했다. 이제 제임스 웹은 L2 포인트를 중심으로 크게 찌그러진 타원을 그리며 궤도를 돌게 된다. 이 궤도가 이상하게 보일지 모른다. 우리 가 보통 생각 하는 인공위성, 탐사선은 지구나 달, 행성 과 같 강한 강한 으로 으로 주변 에 를 붙잡을 수 있는 덩어리 곁 을 맴도 있는 덩어리 을 맴도 는 는 모습다. 그런데 제임제임 웹 맴돌게 맴돌게 될 l2 포인트 는 아무것 도 없는 그저 텅 빈 허공, 가상 의 점 에 불과 하다. 그래서 얼핏얼핏 웹 은 붙잡아 주는 것 도 없는 텅 빈 주변 을 을 도는 것 처럼 보인다 보인다.

이 신기한 궤도는 아주 교묘한 역학의 마법이라 할 수 있다. 제임스 웹뿐 아니라 앞서 우주로 날아간 다양한 탐사선들 역시 이 궤도를 영리하게 활용했다. 과연 L2 포인트는 어떤 마법을 부리는 것일까?

라그랑주 포인트는 역학의 마법이다. 과연 이곳에 도착한 탐사선들은 어떻게 될까? 이곳에 머무는 것일까?

제임스 웹은 빠르게 팽창하고 있는 우주 끝자락의 희미한 빛을 관측하게 된다. 우주가 팽창하면서 날아오는 빛의 파장도 늘어나는 시공간과 함께 빠르게 늘어난다. 그래서 초기 우주의 빛들은 지구에서 봤을 때는 이미 파장이 길게 늘어난 적외선으로 관측된다으로 관측된다. 또 적외선은 파장이 긴 덕분에 우주 먼지들 사이를 여유롭게 비집고 통과한다. 그래서 짙은 먼지 구름 속 탄생 하며 숨어 있는 어린 과 행성 의 흔적 역시 적외선 관측 을 통해 들춰낼 수 있다. 이런 장점 덕분에 이번 제임스 웹 우주 망원경은 적외선 파장대의 빛을 주로 관측한다.

하지만 적외선 관측은 훨씬 까다롭다. 온도를 가진 모든 물체는 적외선을 방출하기 때문이다. 눈 에는 보보지 않 지만 우리 몸, 컴퓨터, 마트폰마트폰, 지구 의 땅 조차 막대한 적외선 을 지금 순간 순간 순간 에 도 도 있다 있다 있다 있다. 따라서 단순히 망원경 망원경 처럼 지구 에 바짝 붙어 맴도 는 궤도 를 그린다면, 지구 자체 에서 뿜어져 나오는 막대한 적외선 으로 인 해 정작 해야 할 먼 우주의 희미 한 적외선 을 볼 수 한 적외선 을 볼 수 없게 된다. 그래서 가까운 적외선 방출원인 태양과 지구로부터 가능한 멀리 도망갈 필요가 있다.

그렇다고 무턱대고 멀리 도망갈 수도 없다. 너무 거리가 멀어지면 지구와 신호를 주고받기 더 어려워지기 때문이다. 지구 자체도 태양 주변을 맴돌고 있기 때문에 지구에서 보이는 하늘의 방향, 시야 역시 계뤍 방향 역시 계뤍. 따라서 너무 너무 너무 않은 거리 에서, 계속 지구 에서 고정 된 방향 에 두고 망원경과 신호 를 주고 받을 수 절묘 한 자리 를 찾아야 찾아야. 그곳이 바로 라그랑주 포인트다.

태양의 강한 중력에 붙잡혀 주변의 작은 물체들이 궤도를 돈다. 태양 에서 거리가 멀어질수록 그만큼 태양 에서 느끼는 중력 약해지기 약해지기 에 궤도 를 도는 속도 가 느려지고 주기 가 더 길어진다. 이제 태양 주변을 지구가 맴도는 상황을 생각해보자.

태양과 지구 사이에 작은 탐사선이 하나 있다. 지구보다 태양에 더 바짝 붙어 있기 때문에 더 짧은 주기로 태양 주변을 맴돌아야 한다. 그런데 탐사선은 태양의 중력뿐 아니라 반대 방향으로 잡아당기는 지구의 중력도 느낀다. 결국 순수한 태양만의 중력에서 반대로 잡아당기는 지구의 중력만큼 전체 느끼는 힘이 줄어. 그래서 태양이 잡아당기는 힘을 조금 더 약하게 느끼면서 좀 더 느린 속도로 긴 주기로 맴돌게 맴돌게 맴돌게 맴돌게. 적당한 위치에 놓인다면 그 늘어난 주기가 정확하게 지구의 공전 주기와 같게 된다. 그래서 계속 태양과 지구 사이에 한 자리에 고정된 채 지구와 같은 주기로 맴돌게 된다. 이 지점을 라그랑주 1, L1 포인트라고 한다.

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이 자리는 지구의 방해 없이 계속 태양을 바로 볼 수 있는 좋은 자리다. 그래서 실시간으로 태양 활동을 모니터링하는 태양 관측 망원경들이 많이 찾는다. 1995년 발사되어 지금까지도 계속 태양을 감시하는 NASA의 SOHO 탐사선도 이곳에 있다. 한편 태양과 지구 사 에 에 때문 에 태양 빛 을 받는 지구 의 낮 부분 을 감시 할 수 있다는 장점 도 있다 있다. 그래서 지구의 햇빛을 받는 부분의 구름과 대기를 감시하기 좋다. NASA의 DSCOVR 기상 관측 탐사선도 이 자리에 머무르며 태양풍과 지구 대기 상태를 감시한다.

L1 포인트 주변 궤도에 머무르는 탐사선들의 궤도.  사진=NASA

이번에는 반대로 지구보다 바깥에서도 이런 위치를 찾을 수 있다. 지구 보다 더 바깥 에 탐사선 있다면 먼 먼 거리 에서 을 좀 더 약하게 때문 에 때문 에 지구 보다 더 느린 속도로, 긴 주기 로 맴돌아야 한다. 그런데 탐사선이 느끼는 중력은 태양의 중력뿐 아니라 지구가 함께 안쪽으로 잡 헄당기는 줐렋 헄당기는 줐렋 그래서 번번 엔 순수 태양 의 중력 에 지구 의 미약 한 살짝 살짝 보태지면서 보태지면서 살짝 보태지면서 보태지면서 보태지면서 살짝 보태지면서 보태지면서 보태지면서 보태지면서 태양 방향 으로 힘 을 좀 더 강하게 느끼게 된다 된다. 그래서 탐사선은 지구보다 먼 거리에서도 살짝 더 빠른 속도로, 짧은 주기로 돌 수 있다. 마찬가지로 적당한 거리에 놓인다면 정확하게 지구와 같은 주기로 맴돌 수 있다. 그래서 번 엔 엔 태양 너머 지구 바깥 에서 지구 와 같은 주기 로 함께 고정 되어 움직움직는 자리 가 만들어진다. 바로 이곳이 L2 포인트다.

태양과 지구 주변에는 중력과 원심력이 균형을 유지하는 균형점 다섯 곳이 존재한다.  L1, L2 외에도 지구 정반대편의 L3 포인트, 지구와 태양 사이 60도 방향에 있는 L4와 L5다.  사진=NASA

가장 처음으로 L2 포인트에 날아간 탐사선은 WMAP 우주 망원경이다. 빅 뱅 직후 부터 우주 전역 에 퍼져 남아 미미한 노노즈, 우주 배경 복사 의 희미 한 흔적 을 감지 하기 위해 2001 년 L2 포인트 로 날아갔다 날아갔다. WMAP 의 뒤 를 어어 더욱 선명 한 우주 배경 복사 지도 를 그리기 위해 2009 년 올라간 플랑크 위성 역시 L2 포인트 로 향했다. 둘은 각각 10 년 가까운 긴 시간 동안 전역 의 방대한 온도 분포 지도 를 완성 하며 빅뱅의 를 를 보여 주었다.

L2 포인트 주변을 크게 도는 WMAP의 궤도.  사진=NASA

2009년 날아간 ESA의 허셜 우주 망원경도 이곳에 머물렀다. 많은 사람들 이 번번 제임제임 웹 을 허블 보다 더 큰 망원경 라라 고 말 하지만, 앞서 올라간 허셜도 허블 보다 1,5 배 정도 크기 가 더 큰 눈 을 갖고 있다 있다. 허셜 망원경도망원경도 웹 과 마찬가지 로 적외선 을 관측 하기 때문 태양과 지구 로부터 멀리 벗어난 l2 포인트 가 필요 했다. 2013년 발사된 ESA의 가이아 위성도 있다. 우리 은하 속 수십 억 개 가 넘는 별들 세밀 한 공간 분포 지도 를 그리고 있는 가가 L2 포인트 에 머무르며 수많은 별들 의 거리 를 측정 한다 한다 한다 한다 가장 최근에는 2019년 7월 독일과 러시아가 함께 제작한 엑스선 우주 망원경 Spektr-RG이 L2​에 갔다.

번번 에 올라간올라간 웹 을 포함 해서 라그랑주 포인트 에 머무르는 많은 탐사선들 은 딱 그 포인트 에 고정 되어 머무르는 것 아니라 아니라 되어 의 의 라그랑주 라그랑주 를 중심 으로 빙글빙글 맴도 는 궤도 를 유지 한다 한다 를 를 유지 한다. 얼핏 보면 아무것도 없는 텅 빈 공간을 중심으로 도는 것처럼 보인다. 하지만 태양계 안쪽과 바깥쪽으로 작용하는 두 가지 힘이 합쳐지면서 이런 모습을 만든 것이다 모습을 만든 것이다.

친구와 함께 긴 줄을 줄넘기하듯이 돌린다고 생각해보자. 줄 한가운데에는 구슬이 하나 연결되어 있다. 당신 친구 친구 와 함께 맞춰서 줄 을 줄 가운데 에 연결 된 구슬 은 마치 아무것 도 줄 한가운데 한가운데 을 중심 으로 빙글빙글 빙글빙글 것 처럼 보인다 보인다. 만약 줄이 보이지 않는 투명한 줄이라면 정확하게 L2 포인트의 허공을 맴도는 탐사선처럼 보일 보일. 하지만 사실 줄 가운데 연결 된 에게 작용 하는 각각 각각 오른쪽 과 왼쪽 에서 당기는 당신 과 친구 의 힘, 줄 의 장력 뿐 뿐다. 그 두 힘 이 함께 작용 하면서 합쳐진 결과, 줄 가운데 허공 을 향해 잡아 당겨지는 한 힘 을 을 되면서 되면서렇게 중심 으로 빙글빙글 돌게.

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L2 포인트 부근 에서 탐사선 에게 하는 힘 을 그려 보면, 태양계 안쪽 으로 작용 하는 태양과 지구 에 의한 중력, 그리고 궤도 를 돌면서 태양계 바깥쪽 반대 방향 으로 작용 하는 원심력 을 생각 해 볼 원심력 을 생각 해 볼 수 있다 있다 있다 있다 있다 있다 (물론 원심력 은 실재 하는 힘 아니라 아니라 아니라 회전 회전 느끼게 회전 가상 의 힘 편의 편의 의 힘 원심력 으로 표현 한다 한다 한다 두 두 두 두 힘 이 각각 오른쪽 과 왼쪽 으로 줄 을 과 당기는 으로 줄 을 잡아 당기는 당신 과 친구 잡아 당기는 당신 과 친구 의 장력인 당신 과 친구 의 장력인. 양쪽에서 잡아당기는 두 힘이 균형을 유지하면서 그 한 가운데 허공을 중심으로 맴도면 것이 가능해슔 것이 이렇게 허공의 라그랑주 포인트 주변을 맴도는 방식의 궤도를 리사주 궤도 (Lissajous Orbit) 라고 한다. 특히 그 중에서도 둥근 타원을 그리면서 맴도는 많은 탐사선들의 궤도를 헤일로 궤도 (Halo Orbit) 라 붤도를 헤일로 궤도 (Halo Orbit) 라 다.

제임스 웹이 그리는 타원 궤도는 지구에서 L2 포인트까지의 거리에 맞먹는 아주 큰 크기다.  사진=NASA/STScI

라그랑주 포인트 주변 궤도를 정할 때에는 다양한 고민이 필요하다. 태양을 가리는 지구 그림자 뒤로 우주 망원경이 지나가지 않게 하는 것도 중요하다. 열 교환이 빠르지 않은 우주 공간에서는 태양 빛을 바로 받는 부분과 지구 그림자의 온도 찕읋과 지구 그림자의 온도 찕읋과 지구 그림자의 온도 차읋과 지구 그림자의 온도 찕읋과 수시로 지구 그림자 를 들락 날락 계속 반복 되는 극심 한 온도 변화 로 인 망원경 장비 가 금방 손상 될 수 있다. 따라서 지구 그림자와 궤도가 겹치지 않도록 멀리 떨어진 채 L2 포인트를 크게 도는 궤도를 유인트를 크게 도는 궤도를 유인트를 크게 도는 궤도를 유인트를 크게 도는 궤도를 유인트를 크게 도는 궤도를 유인트를.

실제로 제임스 웹도 L2 포인트 주변에서 아주 크게 찌그러진 타원을 그린다. L2 포인트에 가장 가까울 때는 35만 km 거리까지 접근하고, 가장 멀 때는 80만 km까지 멀어진다. 타원 궤도의 전체 긴 지름만 지름만 120만 km 정도 된다. 지구에서 L2 포인트까지의 거리 150만 km에 맞먹는 아주 큰 크기의 타원 궤도다.

제임스 웹이 도착한 L2 포인트는 한 번 도착하면 계속 안정적으로 머무를 수 있는 영역이 아니다. 살짝만 벗어나도 금방 멀리 도망가버릴 수 있는 불안정한 균형점에 해당한다. 항상 태양 을 정면 으로 태양빛 을 막고 있는 태양 가림막 자체 도 계속 태양 빛 에 의한 복사 압력 을 받는다. 태양 빛 밀어 밀어 밀어 힘 으로 타 샷 탐사선 탐사선 속도 속도 높 높 것 처럼 오랜 기간 압력쌓 쌓쌓 쌓제임 쌓제임 쌓제임 제임 웹 의 궤도도 틀어진다. 지구나 달, 목성과 토성과 같은 주변의 가깝거나 덩치 큰 천체들의 중력 간섭도 문제다. 제임제임 웹 자체 의 광학 장비들 돌아가면서 돌아가면서 발생 하는 반작용도 망원경 의 자세나 궤도가 틀어지게 만들 수 있다. 우주 공간 에 고정 되지 않은 덩그러니 떠 있기 때문 에, 육중 한 망원경 거울 을 왼쪽 으로 돌리면 그 반대로 망원경 몸체가 미세 하게 오른쪽 으로 돌아간다.

허블 망원경의 경우 내부에 장착된 리액션 휠을 돌려서 망원경의 자세와 방향을 제어한다.  그림 속 주황색 동그라미로 표시된 것이 리액션 휠이다.  최근 이 리액션 휠이 망가지면서 허블의 미션 종료가 다가오고 있다.  사진=NASA

지구 주변을 맴도는 허블 우주 망원경에서도 이런 작용으로 인해 계속 미세하게 궤도가 틀어진속 미세하게 궤도가 틀어진닀어진닀어진닀어진닀어진도가 하지만 대부분 안에 장착된 리액션 휠을 돌려서 망원경의 자세를 바로잡는다. 그러나 제임스 웹의 경우 리액션 휠만으로는 누적된 궤도 변화를 모두 바로잡기 어렵다. 그래서 지속적으로 궤도 이탈 정도를 확인하며 추가로 연료를 분사해 궤도를 바로잡아야 한다. 게다가 수시로 프로젝트 가 생길 때 관측 하고자 하는 천체 의 으로 계속 자세 를 틀어야 하기 때문 에 매번 누적 되는 궤도 탈탈 의 정도 도 다르다. 그래서 제임제임 웹 은 관측 을 수행 하면서 매 20 일 에 한 번씩 벗어난 정도 를 확인 하고 다시 연료 를 분사 해 원래 궤 돌아가는 돌아가는 조정 을 하게 된다 된다.

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이 때문 에 라그랑주 포인트 주변 궤도 도는 탐사선, 우주 망원경 의 수명 은 짧아질 수 밖에 없다. 궤도를 조정하는 데 리액션 휠뿐 아니라 연료 분사가 필요하기 때문이다. 궤도 조정에 쓰일 연료가 모두 떨어지면 서서히 궤도를 벗어나 결국 수명이 끝나버린다. 실제로 앞서 l2 에 도착 했던 많은 선배 탐사선들 역시 10 년 정도 가 지나 연료가 떨어졌고 서서히 태양 빛 의 복사 압력 에 밀려 나가 L2 궤도 를. 지금 은 그저 태양 의 중력 에 채 지구 보다 살짝 더 큰 별도 의 를 를 떠도는 우주 떠돌우주가 되어 버렸다. 전설 속의 ‘러셀의 찻주전자’처럼 태양을 중심으로도는 아주 작은 인공 소행성 신세가 볠세가 됐다고

제임스 웹 우주 망원경도 10~20년 정도의 수명이 예상된다. 원래 공학 인 인 은 보수 적 으로 잡는 편 편 하지만, 기대 수명 15 년 을 넘어 30 년 넘게 혹사당 하고 있는 허블 우주 망원경 에 비 하면 많 많 짧다. 그나마 허블은 지구 저궤도 를 돌고 있어서 우주인들 이 (지금 은 은퇴 한) 우주 왕복선 을 타고 정기 적 으로 수리 와 부품 교환 을 해 줄 수 있었다. 하지만 달보다 네 배 더 먼 거리에 놓인 L2 포인트까지 우주인을 직접 보내서 수리하기는 거. 그래서 만약 주어진 수명이 다하기 전 자칫 작은 고장이라도 나면 제임스 웹의 수명띀 더 빨면 제임스 웹의 수명띀 더 빨뤦.

총 18 개 의 육각형 모양 의 거울 조각들 하나하나 움직 움직움직 주경 과 부경 의 초점 을 맞추는 일 만 남았다.  사진=NASA

앞 으로으로 웹 은 약 두 달 에 걸쳐 테테트 미지미지 를 테 하고, 18 개 의 거울 조각들 을 움직움직 배열과 초점 을 조절 할 예정 예정다. 다시 촬영한 테스트 이미지를 합성하고 분석하며 추가로 나머지 두 달 동안 초점 조절을 모됑 그리고 마지막 두 달 동안 적외선 분광기와 센서를 움직이고 테스트한다. 렇게렇게 총 여섯 달 에 광학 장비 와 센서 의 테테트, 조정조정 모두 마무리 되고 나면 드디어 본격 적 인 과학 임무 를 수행 할 예정 를다.

지나치게 복잡한 방식 으로 구동 되는 아니냐는 아니냐는 걱정 있었지만 있었지만 있었지만 다행히도 다행히도 한 한 태양 빛 가림막 무사히 펼쳐졌고 태양 빛 가림막 무사히 펼쳐졌고, 머나먼 L2 포인트 궤도 까지 아주 빠르게 잘 도착 했다. 제임스 웹은 이제 목적지에 도착해서 갓 눈을 처음 뜬 상태라 할 수 있다. 아직은 우주가 흐릿하게 보인다. 이제 남은 건 눈을 비비고 눈꼽을 떼며 더 선명하게 초점을 맞추는 일뿐이다. 지난 한 달간 복잡 하고 긴장 되는 단계 를 너무나 잘 수행 해 준 웹 남은 남은 6 개월간 무사히 눈 을 떠, 맑은 눈 으로 바라본 먼 우주의 모습 을 보내오기 를 기원 한다 한다.

참고

https://jwst-docs.stsci.edu/jwst-observatory-characteristics/jwst-observatory-coordinate-system-and-field-of-regard/jwst-target-viewing-constraints

https://jwst-docs.stsci.edu/jwst-observatory-characteristics/jwst-observatory-coordinate-system-and-field-of-regard

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190029609/downloads/20190029609.pdf

https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.G003816

https://www.nasa.gov/content/goddard/the-amazing-anatomy-of-james-webb-space-telescope-mirrors/

필자 지웅배? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세 대 학교 은하진화 연구 및 근우 주론 연구실 에서 은하들 의 상호 작용 통한 진화 를 연구 하며, 강연과 집필 등 다양 한 과학 커뮤니케커뮤니케션 활동 을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 .




















지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com​









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