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Webb 다음에는 무엇이 나오나요? NASA의 차세대 행성탐사 망원경

NASA

거대하고 복잡한 우주 망원경을 제작할 때 NASA와 같은 기관은 훨씬 사전에 계획을 세워야 합니다. 제임스 웹 우주 망원경이 최근에 발사되었음에도 불구하고 천문학자들은 이미 웹 이후에 무엇이 올 것인지 생각하느라 바쁘고 야심 찬 계획을 가지고 있습니다.

향후 수십 년간의 천문학 연구를 위한 큰 계획은 거주 가능한 행성을 찾는 것이고, 어쩌면 지구 너머에 생명체의 흔적을 찾는 것일 수도 있습니다. 이것이 바로 태양과 같은 별 주위에 있는 25개의 지구와 같은 행성을 발견하는 것을 목표로 현재 계획 단계에 있는 우주 망원경인 Habitable Worlds Observatory의 원대한 목표입니다.

우리는 더 자세한 내용을 알아보기 위해 차세대 우주 망원경에 대한 계획을 연구 중인 두 명의 과학자와 이야기를 나눴습니다.

다이렉트 이미징의 힘

태양계 너머에 거주 가능한 행성을 찾는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 행성이 별에 비해 너무 작고 어두우므로 멀리 떨어져 있는 행성을 실제로 직접 볼 수 없다는 것입니다. 따라서 외계 행성을 식별하기 위해 천문학자들은 일반적으로 호스트 별에 미치는 영향으로 인해 외계 행성의 존재를 추론합니다. 현재 허블이나 제임스 웹 우주 망원경과 같은 도구는 행성이 별 앞을 지나갈 때 별의 밝기가 낮아지는 현상(transit)을 찾거나 행성의 중력으로 인해 별이 흔들리는 현상을 찾는 경우가 가장 많습니다. 방사형 속도법이라고 합니다.

이것은 우리가 하고 있는 다세대, 아마도 수세기에 걸친 노력입니다.”

이러한 방법은 우리에게 단서를 제공하지만 외계 행성을 깊이 이해하려면 직접 이미지를 생성할 수 있어야 합니다. 현재의 망원경은 높은 수준의 정밀도를 요구하기 때문에 이를 수행할 수 있는 경우가 거의 없지만, 과학자들은 이미 외계 행성의 이미지를 촬영할 수 있는 차세대 우주 망원경을 계획하고 있습니다.

NASA의 낸시 그레이스 로마 우주 망원경은 2027년에 발사될 예정이다.
저작권 소유자의 허가를 받아 사용된 이미지

다음으로 발사될 대형 우주망원경은 2027년 발사 예정인 낸시 그레이스 로마 우주망원경이다. 이 망원경은 우주에 거주 가능한 외계 행성이 몇 개나 있는지 추정하기 위해 하늘을 조사할 예정이다. 그 다음에는 태양과 같은 별 주위의 지구와 같은 외계 행성을 직접 이미지화하고 2040년경에 발사될 계획된 우주 망원경인 거주 가능한 세계 관측소(Habitable World Observatory)가 나옵니다. 이것은 우리가 거주 가능한 지구와 같은 것을 발견할 수 있는 가장 좋은 기회가 될 것입니다. 지구 너머에 생명체가 있다는 증거를 찾을 수 있는 세계입니다.

올바른 파장 선택

James Webb 우주 망원경에 대한 뉴스를 따라왔다면 전자기 스펙트럼의 적외선 부분에서 보인다는 말을 들었을 것입니다. 이는 과학자들이 높은 수준의 적색편이가 있는 은하를 볼 수 있게 해주기 때문에 최초의 은하를 연구하려는 목표에 필수적입니다. 적외선은 먼지 구름을 뚫고 숨겨져 있던 구조물을 보는 데도 유용합니다.

그러나 Habitable Worlds Observatory의 계획은 광학 및 자외선 파장을 조사하는 것입니다. 이러한 파장은 수소나 산소와 같은 특정 원자의 특징을 식별하는 데 유용하므로 장비를 행성 쪽으로 향하게 하고 그 대기가 무엇으로 구성되어 있는지 알아볼 수 있습니다.

우리가 찾을 수 있는 특정 원자나 화합물에 대한 모든 종류의 옵션이 있지만, 산소는 현재 바이오마커 또는 생명의 잠재적 존재를 나타내는 단서에 대한 주요 선택입니다. 먼 행성에서 산소를 발견하는 것은 추가 조사가 필요하다는 신호일 수 있습니다.

존스 홉킨스 대학교의 David Sing은 “완벽한 바이오마커 시그니처는 없습니다. 메탄과 같은 원자도 찾을 수 있고 항상 위양성 가능성이 있기 때문입니다. 하지만 산소는 정말 중요합니다”라고 말했습니다.

산소는 또한 매우 강한 신호를 발산하므로 비교적 쉽게 감지할 수 있습니다. 특히, 세 개의 원자가 서로 결합된 산소의 변형인 오존은 자외선 파장에서 매우 강한 특징을 가지고 있습니다. 지구의 오존층이 태양의 자외선 복사로부터 우리를 어떻게 보호하는지 생각해 보세요. 과학자들이 자외선의 특정 파장이 차단되는 것을 보면 먼 행성에 오존이 존재한다고 추론할 수 있는 방법도 알 수 있습니다.

광학/UV 망원경을 만드는 방법

광학 및 자외선 파장에 초점을 맞춘 Habitable Worlds Observatory는 James Webb 우주 망원경보다 허블 우주 망원경과 더 유사합니다. 그리고 그것은 망원경을 만드는 방법에 있어서 몇 가지 이점을 가져옵니다.

Webb과 같은 적외선 망원경은 온도에 매우 민감합니다(물체가 뜨거워지면 적외선을 방출하기 때문입니다). 따라서 정확하게 작동하려면 Webb을 일부 장비의 경우 단 몇 켈빈의 매우 낮은 작동 온도까지 냉각해야 합니다. 극저온 냉각 시스템이 필요하기 때문에 망원경을 만드는 것이 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

Habitable Worlds Observatory와 같은 망원경의 경우 이러한 종류의 극단적인 냉각이 필요하지 않으므로 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

제임스 웹 우주 망원경은 적외선을 반사하기 위해 금 코팅 거울을 사용했습니다.
NASA

Webb과 같은 적외선 망원경과 Habitable Worlds Observatory와 같은 광학/자외선 망원경의 또 다른 주요 차이점은 거울입니다. Webb의 주 거울은 금으로 코팅되어 있어 적외선을 매우 잘 반사합니다. 그러나 광학/자외선 망원경에는 은으로 코팅된 거울이 있어 해당 파장을 반사하는 데 더 효율적입니다.

새로운 10년을 위한 새로운 기술

어떤 면에서 우리는 거주 가능한 세계를 찾는 데 어떤 종류의 도구가 필요한지 이미 정확히 알고 있습니다. 이는 완전히 새로운 개념이 아니라 기존 도구에 대한 업데이트이기 때문입니다.

예를 들어, Habitable Worlds의 장비는 카메라와 분광기로 구성된다는 점에서 James Webb 또는 Hubble의 장비와 다소 유사합니다. 카메라는 다른 항성계에서 외계 행성을 찾는 데 사용될 것이며 일단 행성이 식별되면 분광기를 사용하여 더 깊이 연구할 수 있습니다. 분광기는 들어오는 빛을 다른 파장으로 분할하여 어떤 파장이 흡수되었는지 확인하는 방식으로 작동합니다. 이는 여러분이 보고 있는 물체가 무엇으로 구성되어 있는지 알려줍니다. 이를 통해 외계 행성에 대기가 있는지, 대기가 무엇으로 구성되어 있는지 확인할 수 있습니다.

NASA 그림은 별의 빛이 탐지기에 어떻게 반사되는지를 보여줍니다.
NASA

이러한 도구를 개선하고 더욱 정확하게 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 직접적인 탐지 외에도 차세대 우주 망원경은 외계 행성을 식별하기 위해 시선 속도와 같은 기술도 사용할 것입니다. 그리고 보다 정확한 분광기는 태양과 같은 별을 공전하는 외계 행성의 질량을 보다 정확하게 측정할 수 있는 극도의 정밀 시선 속도와 같은 기술을 가능하게 합니다.

그러나 더 많은 이론적 발전도 필요합니다. 예를 들어, 외계 행성에 대한 이해를 높이는 데 필요한 주요 요소 중 하나는 별에 대한 이해를 높이는 것입니다. 별은 모든 종류의 이유로 더 밝아지거나 ​​어두워질 수 있으며, 변화가 외계 행성의 존재로 인해 발생하는지 아니면 별의 변화로 인해 발생하는지 확인하려면 이를 더 정확하게 모델링할 수 있어야 합니다.

거주 가능성을 위한 사냥

하지만 아무리 새로운 기술을 탑재한 망원경이 있어도 태양계 너머의 생명체를 찾는 것은 간단한 문제가 아닙니다. 그것은 ~ 때문에 거주 가능성은 복잡한 개념이다 태양과 같은 별을 공전하는 지구와 같은 행성을 식별하는 것 이상의 것이 필요합니다.

“지구 크기의 행성이 되기에 적당한 밝기인 것처럼 보이는 행성은 우리가 거주 가능 구역이라고 부르는 곳에서 대략 원형 궤도를 가지고 있으며 수증기, 어쩌면 약간의 산소에 대한 증거를 보여주고 내부에 거대 행성이 없습니다. 상황을 뒤흔든 별은 너무 활동적이지 않습니다. 이것이 잠재적으로 거주 가능한 행성에 대한 후보로서 우리가 찾고자하는 종류의 시스템입니다.”라고 오하이오 주립 대학의 Scott Gaudi가 말했습니다.

한 예술가의 묘사는 지구와 유사한 세계인 TOI 700 e를 보여줍니다.
NASA

그러나 우리가 이 망원경을 만들고, 거주 가능한 행성을 찾고, 즉시 생명체를 탐지하는 시나리오를 상상하는 것은 유혹적이지만, 그것은 이것이 작동하는 방식이 아니라고 가우디는 말했습니다.

거주 가능한 외계 행성을 제대로 찾으려면 “전체 맥락을 알아야 합니다. 즉, 시스템의 다른 행성, 잔해 원반, 별을 연구하는 것을 의미합니다.”라고 Gaudi는 말했습니다. “그것은 이 행성들이 실제로 거주 가능한지 여부를 이해하는 데 실제로 도움이 될 것입니다.”

가우디는 “우리가 거주 가능한 세계 관측소를 건설하고, 생명체를 찾고, 모든 것이 끝났다”고 상상하고 싶은 유혹이 있지만 “그렇게 되지는 않을 것입니다. 운이 좋다면 꽤 유망해 보이는 시스템을 한두 개, 어쩌면 세 개 찾을 수도 있을 것입니다. 그리고 우리는 더 크고 더 나은 것을 구축해야 할 것입니다.”

다세대의 노력

우리가 잠재적으로 거주 가능한 지구와 같은 세계에서 이상적으로 보이는 시스템을 찾을 수 있다고 하더라도 다음 단계는 훨씬 더 발전된 요소를 살펴보는 것입니다. 예를 들어 지구가 바다로 얼마나 덮여 있는지, 토지 질량입니다. 생명체를 찾는 일은 조만간 해결될 일이 아니지만, 과학자들은 이제 20년 안에 다음 작업을 수행하기 위해 거주 가능 세계 관측소(Habitable Worlds Observatory)의 토대를 마련하고 있습니다.

이는 제임스 웹 우주 망원경에 대한 계획이 2000년경에 시작된 방식과 유사하며, 오늘날 과학자들은 발견을 위해 이 도구를 이제 막 사용할 수 있게 되었습니다.

“수십 년 전만 해도 저는 어린 학생이었습니다. 하지만 나는 그 당시 사람들이 했던 모든 노고에 대한 보상을 얻었습니다.”라고 Sing은 말했습니다. “그리고 그 세대의 과학자들은 사람들이 허블 우주 망원경을 사용하여 그렇게 했기 때문에 그렇게 느꼈습니다. 따라서 여러분이 20년 전에 선임 과학자들이 했던 일에 대한 보상을 거두는 유산이 있습니다. 그리고 당신은 그 유산이 지금으로부터 20년 후에도 계속되기를 원합니다.”

1990년 허블 우주망원경이 발사된다.
NASA

지구 너머에 생명체가 존재할 수 있는지 궁금해하는 것은 오늘날 과학이 직면한 가장 심오한 질문 중 하나이며, 빨리 해결되지 않을 것이기 때문입니다. 거주 가능한 세계 관측소(Habitable Worlds Observatory)는 그 여정의 다음 단계이지만 그것이 종점은 아닐 것입니다.

“이것은 우리가 하고 있는 다세대, 아마도 수 세기에 걸친 노력입니다”라고 Gaudi는 말했습니다. “그리고 우리는 그 과정에 대해 낙관적이어야 하지만 동시에 겸손해야 한다고 생각합니다.”

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