천문연·NASA 합동 개발한 스피어엑스 이달 28일 발사 예정
우주 전 공간 102개 색상으로 최초 관측…3차원 지도 제작
한국천문연구원과 NASA(미 항공우주국)이 합동 개발한 ‘스피어엑스(SPHEREx)’ 우주망원경이 적외선 3차원 우주지도 제작이라는 세계 최초 임무에 도전한다. 기존에도 제임스웹, 유클리드 등 유수의 우주망원경이 존재했지만 스피어엑스는 우주 전체라는 가장 넓은 범위를 관측하게 된다.
제임스웹이 좁은 영역을 구체적으로 관측하는 반면, 스피어엑스는 아주 넓은 영역을 포괄적으로 조사하게 된다. 제임스웹이 나무를 본다면, 스피어엑스는 숲을 보게 되는 셈이다.
우주항공청은 한국천문연구원과 NASA(미 항공우주국) 등이 공동 개발한 우주망원경 스피어엑스가 오는 28일 낮 12시께(한국시각, 현지시간 27일 오후 7시께) 미국 캘리포니아주 밴덴버그 우주군 기지에서 발사될 예정이라고 12일 밝혔다.
스피어엑스, 우주 전체 102개 색으로 관측…제임스웹보다 관측 범위 훨씬 넓어
천문연은 지난 2016년 스피어엑스의 기획 단계에서부터 NASA 등과 협업을 시작했다. 스피어엑스 프로젝트는 2019년 약 2800억원 규모로 시작됐으며, 캘리포니아 공과대학(칼텍) 주관하에 우주청 산하 천문연과 NASA 제트추진연구소(NASA JPL) 등 12개 기관이 참여했다. 특히 천문연은 미국 소속이 아닌 유일한 국제협력기관이다.
스피어엑스는 NASA가 현재 운용 중인 제임스웹 우주망원경처럼 적외선을 활용해 우주를 관측하게 된다. 가장 큰 특징은 전체 하늘(전천·全天), 즉 모든 우주 공간을 102개의 색상으로 관측·촬영할 수 있다는 점이다. 우주 전체 공간을 102개 색상으로 관측하는 것은 세계 최초다.
이렇게 분광기로 다양한 색상 정보를 얻게 되면 수억광년 떨어져 있는 은하까지의 거리를 측정할 수 있고, 다양한 물리적 특성을 파악할 수 있는 정보를 얻게 된다. 스피어엑스 임무를 통해 약 10억개 천체에 대한 개별적 분광 자료를 얻을 수 있을 전망이다.
이렇게 확보된 방대한 관측자료를 기반으로 3차원 우주지도 제작에 나서게 되는 것이다. 스피어엑스의 광범위한 관측에서 특이 천체가 발견되면 다시 제임스웹을 활용한 후속 정밀 관측·연구도 추진한다.
제임스웹이 NASA의 대형 임무라면, 스피어엑스는 중형급 임무에 해당한다. 그만큼 스피어엑스는 망원경 구경도 20㎝ 수준으로 그리 크지 않다. 그럼에도 스피어엑스는 제임스웹보다도 훨씬 넓은 관측 시야를 갖고 있다. 제임스웹이 실제 관측하는 영역은 대중의 인식보다도 훨씬 좁다.
제임스웹의 대표 성과로 알려진 딥필드(SMACS 0723) 사진의 경우 달에서도 아주 극히 일부 영역을 찍은 것에 불과하다. 하지만 스피어엑스는 달이 ‘점 하나’로 보일 정도로 넓은 영역을 관측해낸다.
이와 관련해 스피어엑스 프로젝트에 참여한 양유진 천문연 박사는 “제임스웹은 아주 좁은 영역을 깊고 자세하게, 스피어엑스는 얕지만 넓게 전체 하늘(우주)을 탐사하는 것”이라며 “계속 꾸준히 스캔을 하면 하늘의 어느 영역이든지 우리가 직접 관측할 수 있게 될 것”이라고 강조했다.
우주 기원·은하 생성·외계생명체 존재 환경 등 3개 핵심 과제 연구 예정
NASA와 천문연은 스피어엑스를 통해 우주의 시작, 은하의 생성·진화 과정, 태양계 밖 생명체 존재 여부 등 3가지 핵심 과제에 대해 연구할 예정이다.
널리 알려진 것처럼 우주는 빅뱅에서 시작돼 짧은 시간 급팽창 단계를 거치며 현재의 모습으로 형성됐다. 그간 우주론 연구에서 알려지지 않았던 것은 빅뱅 이후 10의 -32승초라는 짧은 시간 사이 일어난 급팽창이 어떻게 일어났는지다.
스피어엑스는 102개의 필터를 갖고 은하의 사진을 촬영하게 된다. 이 경우 은하의 밝기에 따라 관측되는 스펙트럼이 달라지고, 이를 기반으로 은하까지의 거리를 알 수 있다.
여기에 스피어엑스의 압도적으로 넓은 시야각을 활용하면 이론적으로는 지금으로부터 약 130억년 전, 빅뱅 이후 5억년 시점에 탄생한 은하까지의 거리까지 측정할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 빅뱅 이후 50억년 전 별들이 생성되는 시기에 대한 직접 관측도 가능할 것으로 기대된다.
이렇게 각 은하까지의 거리를 측정해 3차원 우주 지도를 만들고, 이를 기반으로 초기 우주 급팽창에 대한 수학적 단서를 얻을 수 있을 것이라는 게 NASA와 천문연의 기대다.
스피어엑스의 넓은 관측 범위를 이용해 우주와 은하의 진화 과정도 파악해볼 수 있을 전망이다. 제임스웹 망원경은 우주의 한 부분을 자세하게 관찰할 수 있지만, 넓은 범위에 대한 통계적 연구는 불가능하다는 한계가 있다. 스피어엑스는 우주 전체에 대한 관측이 가능하기 때문에 은하들이 내뿜는 모든 빛을 통계적으로 관측해 우주와 은하의 진화 과정을 파악할 수 있게 해준다.
또 스피어엑스는 생명체 탄생의 필수 요소인 ‘물’을 찾는 데도 활용될 예정이다. 학계에서는 지구를 비롯한 행성에 존재하는 물이 ‘성간 물질’에서 유래했을 가능성이 높다고 보고 있다.
얼음 형태로 존재하는 성간 물질에 H2O(물), CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소) 등 생명의 기원이 되는 분자가 풍부하게 존재하기 때문이다. 스피어엑스는 우리은하에 있는 성간운, 디스크 등에 분포하는 얼음 성분에 대한 조사도 진행하게 된다.
스피어엑스, 2년 반 동안 우주 전체 4번 관측…”해본 적 없는 시도, 새로운 발견 기대”
스피어엑스는 태양 동기궤도인 약 650~700㎞ 상공에서 2년 6개월 동안 임무를 수행하게 된다. 임무수행 기간 동안 전체 우주에 대한 관측을 총 4번 진행할 예정이다.
천체가 내뿜는 광량(빛의 양)에 따라 관측 여부가 달라지는 만큼 최초 관측에서는 보이지 않았던 은하가 2~3차 관측에서는 나타날 가능성도 있다.
이에 대해 양유진 박사는 “제임스웹이 볼 수 있는 영역이 우주의 1% 미만 수준이라면 스피어엑스는 말 그대로 우주의 100%를 관측할 예정”이라며 “우주 100% 영역의 관측을 4번 반복해서 진행하는 만큼 산술적으로 400%의 영역을 보게 된다고 할 수 있다”고 설명했다.
스피어엑스 프로젝트의 연구책임자인 NASA 제이미 복 교수는 “이번달 말 스피어엑스와 태양 무인 탐사선 ‘펀치’가 함께 발사돼 NASA에서도 이번 임무를 굉장히 주목하고 있다”며 “우리가 한번도 본 적 없는 방식으로 전체 우주를 관측하는 것이기에 새로운 발견이 기대된다”고 전했다.
