NASA의 차세대 망원경, 현대 물리학을 뒤흔들 힘의 정체를 추적하다

천체물리학자들은 현재 거대한 문제에 직면해 있습니다. 바로 우주가 우리가 알고 있던 속도와 다르게 팽창하고 있다는 점입니다. 과학자들이 초기 우주의 팽창률을 측정했을 때, 그 수치는 현대 시대의 관측 결과와 전혀 일치하지 않았습니다.

우리의 수학적 계산이 근본적으로 잘못되었거나, 아니면 시공간의 구조를 능동적으로 변형시키고 있는 보이지 않는 역동적인 힘이 존재한다는 뜻입니다. 무엇이 정답인지 알아내기 위해 NASA는 지구에서 100만 마일 떨어진 지점으로 거대한 광학 장비를 쏘아 올릴 예정입니다.

2026년 4월까지 SpaceX의 Falcon Heavy 로켓으로 발사될 예정인 낸시 그레이스 로먼 우주 망원경(Nancy Grace Roman Space Telescope)은 수억 개의 은하 위치를 지도화하도록 설계되었습니다. 만약 이 망원경이 미션 과학자들이 의심하는 바를 발견한다면, 우리는 물리학 법칙을 처음부터 다시 써야 하는 상황에 직면하게 될 것입니다.

우주 팽창률의 위기

핵심적인 긴장은 허블 상수(Hubble constant)라고 불리는 측정값에 있습니다. 이 상수는 우주가 스스로를 얼마나 빠르게 밀어내고 있는지를 정확히 알려주어야 하지만, 기존 데이터들은 서로 일치하지 않고 있습니다.

NASA 로먼 망원경의 수석 프로젝트 과학자인 줄리 맥에너리(Julie McEnery)는 이 망원경이 이러한 극명한 불일치를 조사하기 위해 특별히 설계되었다고 지적합니다. 수십억 년에 걸쳐 우주 그물망(cosmic web)을 지도화함으로써, 로먼은 암흑 에너지가 정적인 배경 힘인지 아니면 시간이 지남에 따라 변하는 역동적인 장(field)인지를 추적할 것입니다.

이를 위해 관측소는 2.4미터 크기의 주경을 사용합니다. 이는 허블 우주 망원경 내부에 있는 것과 정확히 같은 크기입니다. 하지만 로먼에는 허블의 적외선 카메라보다 100배 더 넓은 시야를 한 번에 포착할 수 있는 광시야 기기(Wide Field Instrument)가 장착되어 있습니다.

로먼은 좁은 어둠의 영역만을 들여다보는 대신 거대한 은하 조사를 수행할 것입니다. 수십억 개의 별들의 움직임을 목록화하고 Ia형 초신성을 관측함으로써 시공간의 미세한 팽창을 추적할 것입니다.

저격수와 측량사

NASA는 이미 태양-지구 L2 라그랑주 점에 거대한 적외선 망원경인 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)을 배치해 두었습니다. 하지만 두 장비는 완전히 다른 목적을 위해 만들어졌습니다.

NASA 관계자들은 웹을 '저격수'에, 로먼을 '측량사'에 비유합니다. 웹은 우주의 첫 빛을 보기 위해 아주 좁은 영역의 미세한 세부 사항을 포착합니다. 반면 로먼은 거대한 그물을 던져 웹이 나중에 가까이서 조사할 수 있는 희귀한 천체와 초기 은하들을 찾아낼 것입니다.

로먼은 매우 빠르게 넓은 하늘을 커버하기 때문에 엄청난 양의 데이터를 생성할 것입니다. NASA 고다드 우주 비행 센터의 프로젝트 매니저인 제이미 던(Jamie Dunn)은 이 망원경이 본질적으로 심우주의 고화질 영상을 끊임없이 지구로 전송하게 될 것이라고 언급합니다.

10억 분의 1의 눈부심 차단

암흑 에너지를 지도화하는 것 외에도 로먼은 암석으로 이루어진 지구 질량의 행성들을 찾는 임무를 수행합니다. 이를 위해 중력 미세렌즈(gravitational microlensing) 현상을 이용할 예정인데, 이는 앞쪽에 있는 별의 중력이 뒤쪽 멀리 있는 별의 빛을 확대하는 거대한 돋보기 역할을 하는 물리적 현상입니다.

만약 앞쪽 별 주변을 공전하는 행성이 있다면, 그 빛에 작고 독특한 밝기 변화가 나타납니다. 이를 통해 천문학자들은 우리 태양계와 비슷한 거리에서 공전하는 행성들을 찾아낼 수 있습니다. 이는 현재 외계 행성 목록에서 가장 큰 사각지대였던 부분입니다.

또한 이 망원경은 고도로 실험적인 코로나그래프(coronagraph)를 탑재하고 있습니다. 이 장치는 모항성의 눈부심을 10억 분의 1 수준으로 물리적으로 차단하여, 그 궤도를 도는 가스 거대 행성들의 희미하게 반사되는 빛을 드러내도록 설계되었습니다.

만약 코로나그래프가 성공한다면, 이는 머지않아 진행될 거주 가능 세계 관측소(Habitable Worlds Observatory) 미션을 위한 필수적인 개념 증명이 될 것입니다. 이 미래의 미션은 먼 외계 행성에서 생명체의 화학적 징후를 찾는 것을 목표로 합니다.

플래그십의 저주를 넘어서

대형 우주 관측소들은 수십 년간의 지연과 수십억 달러의 비용 초과 문제에 시달리는 것으로 악명이 높습니다. 하지만 로먼은 현재 예정된 발사 일정을 앞두고 순조롭게 진행되고 있습니다.

NASA 과학 임무 국장인 니키 폭스(Nicky Fox)는 엄격한 '설계 기반 비용(design-to-cost)' 접근 방식과 일관된 자금 지원 덕분에 플래그십급 개발 프로젝트에서 흔히 발생하는 악몽들을 피할 수 있었다고 평가합니다.

이 미션의 이름은 NASA의 첫 여성 천문학 수석이었던 낸시 그레이스 로먼(Nancy Grace Roman)에서 따왔습니다. "허블의 어머니"로 널리 알려진 그녀는 1960년대와 70년대에 최초의 대형 망원경들을 쏘아 올리기 위해 평생을 바쳤습니다. 50년이 지난 지금, 그녀의 이름을 딴 망원경이 우주가 실제로 무엇으로 구성되어 있는지 밝혀낼지도 모릅니다.

출처

• NASA 고다드 우주 비행 센터
• NASA 과학 임무 국