James Webb: 어둠의 끝을 찾는 100억 달러짜리 기계

ESO/P.HORÁLEK

어둠. 전체 및 완료. 우리 중 그것을 경험하는 사람은 거의 없습니다.

동굴 바닥에서, 아마도; 또는 전원이 꺼진 지하실에서. 그러나 일반적으로 어딘가에서 희미한 빛이 나옵니다. 밤하늘조차 진정으로 까맣게 보이지는 않습니다. 특히 멀리서 한 두 개의 별이 반짝거리고 있기 때문입니다.

따라서 존재하는 모든 것이 어둠뿐이던 시대, 수백만 년 동안 어느 방향으로든 여행할 수 있었고 여전히 아무것도 볼 수 없었던 시대를 상상하기는 어렵습니다.

그러나 이것은 과학자들이 우리에게 말하는 첫 번째 별이 점화되기 전에 우주를 사로잡았던 "암흑기"에 대한 이야기입니다. 그리고 얼마 지나지 않아 그들은 그 시간, 또는 오히려 그것이 어떻게 끝났는지, 즉 우주가 궁극적으로 어떻게 빛으로 채워지는지를 우리에게 보여주려고 합니다.

그들은 지구 너머에 배치된 가장 큰 망원경인 James Webb Space Telescope를 사용하여 그것을 할 것 입니다.

JWST는 앞으로 며칠 안에 발사될 예정이며, 성공을 거둔 전설적인 허블 우주 망원경보다 우주를 더 깊이 들여다보고 시간을 거슬러 올라가는 임무를 수행하고 있습니다.

단순히 매혹적입니다: Webb의 거대한 거울은 금으로 코팅된 베릴륨으로 만들어졌습니다. - 나사

폭 6.5m(21피트)의 거울과 4개의 초고감도 장비를 갖춘 Webb는 135억 년 이상 동안 광대한 우주를 여행해 온 빛을 감지하기 위해 하늘의 매우 좁은 지점을 며칠 동안 응시할 것입니다.

JWST의 선임 프로젝트 과학자이자 노벨상 수상자인 John Mather는 "그들은 단지 작은 붉은 반점일 것입니다."라고 말했습니다.

"우리는 빅뱅 이후 1억 년 후에 별, 은하 또는 블랙홀이 시작되어야 한다고 생각합니다. 그 당시에는 찾을 수 있는 별이 많지 않을 것이지만 웹 망원경은 별이 있으면 볼 수 있습니다. , 그리고 우리는 운이 좋다"고 미국 우주국(NASA) 연구원은 Discovery 특별판에 말했습니다 .

당신이 아직도 그런 일을 목격할 수 있다는 것은 놀라운 생각입니다. 그러나 그것은 광활하고 팽창하는 우주에서 유한한 속도를 지닌 빛의 결과입니다. 계속해서 더 깊고 깊게 탐사한다면, 개척자 별들이 첫 번째 은하로 함께 모여들 때 결국 그 빛을 되찾게 될 것입니다.

하지만 무슨 목적으로? 왜 10년을 생각하고 또 20년 동안 100억 달러짜리 기계를 만들어 하늘에 있는 희미하고 붉은 덩어리를 감지하는 데 쓰나요?

글쎄, 본질적으로 그것은 가장 근본적인 질문으로 귀결됩니다. 우리는 어디에서 왔습니까?

빅뱅으로 우주가 형성되었을 때 우주에는 수소, 헬륨, 소량의 리튬만 포함되어 있었습니다. 다른 건 없습니다.

이 세 가지보다 무거운 주기율표의 모든 화학 원소는 별에서 단조되어야 했습니다. 생물을 구성하는 모든 탄소; 지구 대기의 모든 질소; 암석에 있는 모든 규소 - 이 모든 원자는 별을 빛나게 만드는 핵 반응과 별의 존재를 끝내는 강력한 폭발에서 "제조"되어야 했습니다.

우리가 여기 있는 이유는 최초의 별과 그 후손들이 우주에 물질을 만들어 재료를 뿌렸기 때문입니다.

Webb의 NIRSpec 기기의 팀원인 옥스포드 대학의 천문학자인 Rebecca Bowler는 "Webb의 임무는 모든 유사성의 형성에 관한 것입니다. 그것은 '우리는 모두 별가루로 만들어졌다'는 주장입니다."라고 말합니다.

"이것은 최초의 탄소 원자의 형성에 관한 것입니다. 우리가 진행 중인 그 과정을 실제로 관찰할 수 있다는 것은 저에게 절대적으로 놀랍습니다."

우리는 첫 번째 별에 대해 많이 알지 못합니다. 우리는 물리 법칙을 컴퓨터 모델에 집어넣고 실행할 수 있어 무엇이 가능한지 알 수 있습니다. 그리고 그것은 환상적으로 들립니다.

Webb의 NIRCam 기기의 수석 연구원인 Marcia Rieke는 "추정 범위는 태양 질량의 100배에서 1,000배까지 다양합니다. "사실 모든 별은 항성으로 존재할 수 있는 시간이 질량에 반비례한다는 법칙을 따릅니다. 즉, 별이 무거울수록 연료를 더 빨리 소모합니다. 그래서 이 초기 별들은 기껏해야 백만 년 정도만 지속되었을 수 있습니다."

빨리 살고 젊게 죽어라. 그에 비하면 우리 태양은 너무 소심해 보인다. 그것은 이미 거의 50억 년 동안 불탔고 아마도 또 다른 5년 동안 계속 불타고 있을 것입니다.

첫 번째 별빛을 찾는 데 중점을 두어 Webb는 "한 음표 플루트"처럼 들립니다. 사실 별거 아니지만.

그것은 우리 태양계의 얼음 달과 혜성에서부터 모든 은하의 중심에 있는 것처럼 보이는 거대한 블랙홀에 이르기까지 지구 너머에서 볼 수 있는 거의 모든 것을 관찰할 것입니다. 특히 다른 태양 주위의 행성을 연구하는 데 능숙해야 합니다.

그러나 Webb는 적외선에서 매우 특정한 방식으로 모든 표적을 보도록 조정되었습니다.

허블은 주로 광학 또는 가시 파장의 빛에 민감하도록 설계되었습니다. 그것은 우리가 눈으로 감지하는 것과 같은 유형의 빛입니다.

반면에 Webb는 더 긴 파장을 감지하도록 특별히 설정되었습니다. 이 파장은 우리 눈에는 보이지 않지만 우주에서 가장 멀리 떨어진 물체의 빛이 나타나는 영역에 정확히 존재합니다.

"멀리 있는 별빛은 우주의 팽창에 의해 늘어나고 스펙트럼의 적외선 영역으로 이동합니다. 우리는 이것을 적색편이라고 부릅니다."라고 암흑기의 끝을 탐구하는 것을 참을성이 없는 University College London의 천문학자인 Richard Ellis는 설명합니다.

"예를 들어, 허블의 한계 요소는 우리가 원하는 별빛 신호를 감지할 수 있을 만큼 충분히 적외선에 도달하지 못한다는 것입니다. 그것은 또한 특별히 큰 망원경도 아닙니다. 그것은 확실히 선구적인 시설이었습니다. 놀랍습니다. 하지만 거울의 지름은 2.4m에 불과하고 망원경의 위력은 거울 지름의 제곱에 비례한다. 그리고 바로 여기에 JWST가 등장한다."

적외선을 발견한 사람은 18세기 천문학자 William Herschel이었습니다. 그는 또한 망원경 거울 생산에 혁명을 일으켰습니다.

그의 수동 크랭크 연마 기계는 주석과 구리 합금으로 주조된 디스크에서 매우 매끄러운 반사 표면을 얻을 수 있었습니다.

Herschel은 Webb의 거울 생산에 들어간 혁신을 높이 평가했을 것입니다.

금속 베릴륨으로 만들어졌으며 가볍고 매우 낮은 온도에서도 형태를 유지합니다. 그리고 금색 코팅이 되어 있습니다. 그것은 매우 얇고 원자 두께가 수백 개에 불과하지만 이 추가로 거울은 적외선에서 거의 완벽한 반사체로 바뀝니다.

입사광의 98%가 반사되어 멀리 떨어진 별에서 방출되는 빛이 Webb의 기기에 도달할 때까지 손실을 최소화합니다.

망원경의 분할된 6.5m 주경을 본 사람은 그 놀라운 품질을 증명할 것입니다. 20년 동안 작업한 사람들도 그 아름다움에 결코 질리지 않습니다.

Webb 미러 팀을 이끌고 있는 Nasa의 Lee Feinberg는 "거울이 아래쪽을 향하고 있어서 후방 광학 장치를 검사하기 위해 거울 아래로 올라가야 했던 때가 있었습니다."라고 회상합니다.

"그래서 저는 버니 슈트를 입고 저 금색 표면을 올려다보고 제 자신이 반사되는 것을 보았습니다. 정말 놀랍습니다. 이 모든 표면이 저에게 집중되어 있었습니다. 중앙에 에너지가 있다는 놀라운 느낌이 들었습니다. 그 모든 것."

허블은 1차 거울에 중대한 문제가 있는 것으로 유명합니다.

망원경이 1990년 궤도에 도착했을 때 과학자들은 반사경이 제대로 연마되지 않았음을 깨달았습니다. 은하의 초기 사진은 흐릿했습니다.

허블이 우주를 명확하게 보기 시작한 것은 우주비행사들이 일부 보정 광학 장치를 사용할 수 있을 때까지였습니다. 그리고 아마도 불합리하지는 않지만, 모든 사람들이 Webb의 거울이 완벽하다고 보장할 수 있는지 여부를 묻는 것은 그 경험 때문입니다.

Nasa

 

2017년 8월은 허리케인 Harvey가 텍사스 상공에서 정체되어 1,270억 톤의 엄청난 빗물을 주에 쏟아 부은 달이었습니다.

그 대홍수 한가운데에 Webb가 실제로 "도시에" 있었고, NASA의 Johnson Space Center에서 광학 장치가 비행하기에 적합하다는 것을 증명하는 중요한 테스트를 받고 있었기 때문에 주목할 만합니다.

엔지니어들은 1960년대에 Apollo 하드웨어와 심지어 우주복을 입은 우주비행사까지 지배하는 데 사용되었던 우주 시뮬레이터에 망원경을 넣었습니다.

진공 용기로 알려진 챔버 A는 부피가 엄청나게 커서 망원경을 통째로 삼킬 수 있었습니다(선쉴드 제외). 3개월간의 테스트 목적은 Webb의 작동 공간 온도를 -233C(40켈빈) 바로 아래로 낮추어 모든 미러가 설계된 대로 초점을 맞추는지 확인하는 것이었습니다.

또한 Webb의 4가지 도구를 작업하는 팀이 가상의 오프월드 조건에서 시스템이 어떻게 수행되는지 확인할 수 있는 기회를 제공합니다. 즉, 허리케인 Harvey가 의무를 이행할 것이라고 가정합니다.

Apollo 챔버는 Webb에게 우주에서 작동하는 것이 어떤 것인지 맛보게 했습니다. - NASA/크리스 건

때때로 A 챔버 내부에서 Webb와 대화하는 컴퓨터 콘솔은 천장에서 물방울이 떨어지는 위험으로부터 보호하기 위해 플라스틱 시트로 덮어야 했습니다. 그러나 진공 용기의 두꺼운 벽 뒤에 숨어 있는 Webb 자체는 안전했으며 "허블 문제"가 없음을 보여주었습니다.

Lee Feinberg는 "기본 미러의 세그먼트 뒤에는 액츄에이터가 있어 이 세그먼트를 이동하고 곡률을 변경할 수도 있습니다."라고 설명합니다. "우주에 처음 배치되면 해당 세그먼트가 잘못 정렬됩니다. 그러나 모든 액추에이터는 밀리미터 단위로 측정된 정렬 오류에서 나노미터까지 측정할 수 있습니다. 백만 배 개선입니다."

이러한 액츄에이터는 18개의 세그먼트가 마치 하나의 모놀리식 미러인 것처럼 작동하도록 합니다.

나사 장비 시스템 엔지니어인 Begoña Vila는 다음과 같이 덧붙였습니다. "이것은 우리가 테스트 챔버에서 시연한 것입니다. 우리는 우주의 별에 처음 초점을 맞출 때 18개의 개별 거울 세그먼트가 표시되지 않기 때문에 실제로 18개의 서로 다른 빛의 지점을 볼 수 있다는 것을 압니다. 정렬됩니다. 하지만 미러를 조정하여 모든 지점을 모아서 수차가 발생하지 않고 정상 작동에 좋은 단일 별을 만들 것입니다. Webb가 작동한다는 것을 알고 있습니다."

Gillian Wright는 Tupperware 상자를 들고 있습니다.

영국 천문학 기술 센터(UK Astronomy Technology Center) 이사는 "이것은 오래된 Tupperware가 아니라 우주 자격을 갖춘 Tupperware입니다. 수년간 흠집 없이 깨끗한 상태를 유지하기 위한 모든 국제 표준을 충족합니다."라고 말했습니다.

Webb가 얼마나 뛰어난지 이해하고 싶고 건설 단계에서 약 20년이 소요되는 이유를 이해하려면 Gillian의 플라스틱 상자를 살펴봐야 합니다.

여기에는 그녀와 동료들이 망원경을 위해 제작한 MIRI(Mid-Infrared Instrument)의 여분의 "슬라이싱 미러"가 포함되어 있습니다.

영국 50펜스 정도의 크기로 인형용으로 만든 미니 뮤지컬 아코디언처럼 보입니다. 다시 금으로 코팅된 작은 거울에는 일련의 비스듬한 "계단"이 있습니다.

이 배열을 통해 거울은 하늘의 이미지를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 예를 들어 은하나 블랙홀의 가장자리에서 빛을 잘라낸 다음 그 빛을 분광기로 보낼 수 있습니다. 이 장치는 연구 대상의 화학적 성질, 온도, 밀도 및 속도를 밝힐 것입니다.

"하지만 이미지의 한 지점이 아니라 이미지의 모든 지점에서 동시에 모든 것이 가능합니다. 2D에서 3D로, 즉 우리가 데이터 큐브라고 부르는 것으로 이동합니다."라고 그녀는 말합니다.

James E Webb는 Apollo 달 착륙 프로젝트를 수행하는 임무를 맡은 NASA의 핵심 인물이었습니다. - 나사

이것은 지상 천문학에서 수행되었지만 Webb에게는 새로운 일이었습니다. 더욱이 요구되는 엔지니어링 정밀도 수준은 매우 까다로웠습니다. 계단은 매우 예리한 모서리를 갖도록 매우 조심스럽게 가공되어야 했습니다. 그렇지 않으면 다른 파장의 빛이 거울을 가로질러 번져 데이터를 오염시킬 수 있습니다.

MIRI의 슬라이싱 미러가 사양을 충족할 것이라고 우주 기관을 설득하는 데 1년이 걸렸습니다. 그리고 여기 문제가 있습니다. 이것은 거대한 망원경의 한 부분에 있는 하나의 작은 구성 요소일 뿐입니다.

Webb를 조립할 때 이러한 모든 요소를 ​​테스트한 다음 다른 요소에 결합할 때 다시 테스트해야 했습니다. 전체 건물은 러시아 인형처럼 지어졌습니다.

전 NASA 프로젝트 과학자인 Mark Clampin은 다음과 같이 설명합니다. "너무 크고 복잡한 천문대와 극저온에서 작동해야 하기 때문에 모든 것을 한 번에 모아서 테스트할 수는 없습니다. 모든 것을 밀폐된 , 열 절연 패키지, 가장 작은 조각부터 시작하여 위쪽으로 작업하여 모든 단계에서 테스트합니다. 그런 다음 모든 것이 점점 더 커지면 감지기에서 문제를 발견했기 때문에 되돌리는 것이 사실상 불가능해집니다."

망원경의 건설이 끝날 무렵 그들이 MIRI의 슬라이싱 미러 중 하나에 결함이 있음을 깨달았다고 상상해 보십시오.

수십억 달러의 천문대를 분해하여 표준 이하의 부품에 도달하는 것은 모든 악몽의 악몽이 될 것입니다.

James Webb는 너무 커서 발사 로켓의 코에 맞도록 접혀야 합니다. - NASA/크리스 건

Mark McCaughrean은 유럽 우주국(European Space Agency)의 자문 자격으로 23년 동안 프로젝트에 참여해 온 영국의 적외선 천문학자입니다. 그는 전에 Webb의 일부를 본 적이 있지만, 발사 예정일 몇 주 전에 프랑스령 기아나의 Kourou 우주선에서 그는 완성된 천문대를 처음으로 검사할 기회를 얻었습니다.

"무슨 말을 해야 할지 모르겠어. 놀랍군." 그의 목소리에는 감정이 있다.

거울과 단열 담요는 금색과 은색의 불꽃입니다. 후자의 색상은 약간 보라색 색조가 있습니다. 접힌 구성의 Webb를 보고 있지만 여전히 단일 데커 버스 크기입니다.

이 "버스"는 Ariane 발사 로켓의 코에 꼭 맞도록 뒤집혔습니다.

Mark는 "놀라운 규모를 가지고 있습니다. "우주에서 펼쳐질 때 - 새가 우주를 자유롭게 날아다니면 - 그건 볼 만하지 않을까요!"

Webb는 개발 내내 반대론자들과 싸워야 했습니다. "너무 복잡합니다."라고 그들은 말할 것입니다. 그리고 망원경이 우주 관찰을 시작하기 위해 완료해야 하는 전개 순서를 고려할 때, 그것은 일종의 무서운 일입니다.

엔지니어는 행동을 설명하기 위해 "단일 지점 실패"를 언급하며, 신호와 올바른 순서로 발생하지 않으면 전체 사업을 엉망으로 만들 가능성이 있습니다. Webb는 이러한 결정적인 장애물 중 344개를 넘어야 합니다.

발사 직후 몇 분 안에 태양 전지판과 라디오 안테나를 배치하는 것과 같은 일부 조치는 매우 간단해야 합니다.

주경의 날개를 여는 것조차 상당히 표준적인 작업으로 간주되어야 합니다. 그러나 Webb를 시원하게 유지하고 태양의 눈부심으로부터 시야를 보호할 테니스 코트 크기의 방패를 펼치는 데 집중된 작업은 다른 문제입니다.

항공우주의 Krystal Puga는 "일부 핵심 하드웨어에는 140개의 해제 메커니즘, 약 70개의 힌지 어셈블리, 8개의 전개 모터가 포함됩니다. 베어링, 스프링, 기어가 있습니다. 약 400개의 풀리와 90개의 케이블이 필요합니다. 총 길이는 400m입니다."라고 말합니다. 제조사 Northrop Grumman.

"순서를 완벽하게 하기 위해 우리는 소형 및 전체 크기 모델 모두에 대해 몇 년에 걸쳐 여러 배포 테스트를 수행했습니다. 배포뿐만 아니라 보관 프로세스도 연습했습니다. 이는 Webb가 성공적으로 배포될 것이라는 확신을 줍니다."

프로젝트에 직접 참여하지 않은 우리에게는 전체 전개 과정이 끔찍해 보입니다. 초박형 멤브레인을 잡아당기는 코드 중 하나가 걸리거나 더 심하게는 끊어지면 어떻게 됩니까?

John Mather는 차분한 목소리입니다. Webb 벤처에 대한 그의 오랜 세월은 그를 철학적 위치로 이끌었습니다.

"자신감이 있습니다. 하지만 우리가 아무리 좋은 계획을 가지고 있다 하더라도 - 그리고 아주 좋은 계획을 가지고 있다 - 나쁜 일이 여전히 발생할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 하지만 내 의견은 하드웨어. 그리고 결과적으로 내 걱정은 하드웨어에도 영향을 미치지 않습니다. 그래서 나는 대부분 걱정하지 않습니다."

허블이 우리에게 보여준 모든 것을 감안할 때, 오래된 망원경은 이제 매우 견고한 투자처럼 보입니다. - NASA/ESA

마지막까지 주제를 남겼는데 댓글 없이는 지나갈 수 없습니다. 비용.

모두가 인용하는 수치는 100억 달러(75억 파운드, 90억 유로)입니다. 여기에는 직접 20년의 구축 기간, 발사 및 우주에서의 5년의 작업이 포함됩니다.

차가운 숫자로, 그것은 눈을 침침합니다. 그러나 허블도 매우 비쌌다는 것을 기억할 가치가 있습니다. 전설적인 천문대는 2021년에 70억 달러가 넘는 비용이 들며 시작되어 수리되었습니다. 지금보다 2배 가까이 와야 합니다.

그러나 허블이 우리에게 우주와 그 안에서 우리의 위치에 대해 보여준 모든 것을 감안할 때 오래된 망원경은 가치가 있어 보입니다.

유럽인에게 Webb의 비용은 저렴한 커피 한 잔의 가격에 해당했습니다. - NASA/크리스 건

Webb가 우리의 원자적 기원을 보여주는 데 성공한다면 누가 비용에 대해 계속 논쟁할 것입니까?

전 유럽우주국(European Space Agency) 프로젝트 매니저인 Peter Jensen은 "액면가에는 0이 많이 있으며 유럽에서만 James Webb에 7억 유로를 지출했습니다."라고 말했습니다.

"하지만 유럽에서 1인당 비용으로 보면 20년 동안 마신 값싼 카페에서 값싼 커피 한 잔으로 귀결된다."