우주는 138억 년 전 단 한 점의 대폭발, 즉 ‘빅 뱅’(Big Bang)에 의해 시작되어 여전히 무한 팽창 중에 있으며, 우리가 사는 지구를 비롯한 태양계는 45억 년 전 우주 속 한 점에 불과한 우리 은하의 가스와 먼지가 모여 만들어졌다고 한다.

이러한 우주천문 환경 속에서 사는 인류는 대략 2~3백만 년 전 초기 인류로 출현하였다가 언젠가 사라졌고, 3만 년 전쯤 마지막 빙하기 무렵에 신인류로 불리는 ‘호모 사피엔스’가 나타나 80억 현생 인류를 이 작은 지구 곳곳에 퍼뜨렸다.

이처럼 우주의 시공간 속에서 무어라 말할 수 없이 미미한 존재인 인류는 역설적으로 우주 존재의 근원을 밝히는 일에 말할 수 없을 정도의 놀라운 성과를 거두어 드디어는 우주망원경을 통해 131억 년 전 원시은하의 모습을 포착하는 데까지 성공하였다.

허블우주망원경(왼쪽)과 제임스웹우주망원경으로 찍은 목성의 모습. 북극과 남극의 오로라가 왼쪽 사진에서는 보이지 않지만, 오른쪽에서는 붉은색으로 선명하게 나타나고 대기의 소용돌이인 대적점(Great Red Spot)이 더욱 분명하게 보인다. 목성은 중심부 금속과 암석의 핵을 중심으로 대부분 수소 헬륨 암모니아 등 기체로 이루어진 행성이어서 표면의 물결모양 움직임이 특징이다.

  ▲ 허블우주망원경(왼쪽)과 제임스웹우주망원경으로 찍은 목성의 모습. 북극과 남극의 오로라가 왼쪽 사진에서는 보이지 않지만, 오른쪽에서는 붉은색으로 선명하게 나타나고 대기의 소용돌이인 대적점(Great Red Spot)이 더욱 분명하게 보인다. 목성은 중심부 금속과 암석의 핵을 중심으로 대부분 수소 헬륨 암모니아 등 기체로 이루어진 행성이어서 표면의 물결모양 움직임이 특징이다.   

무려 138억 년의 장구한 시간 속에서 불과 3만 년의 ‘찰나’를 살아온 ‘호모 사피엔스’가 무한한 우주의 시공간을 극히 미미하게나마 들여다볼 수 있게 된 데에는 두말할 나위 없이 망원경(望遠鏡)이 결정적 공로를 세웠다.

불과 4백여 년 전인 17세기 초 네덜란드의 안경점 주인이 우연한 기회에 망원경의 원리를 발견한 직후 1609년 이탈리아의 천문학자 갈릴레이 갈릴레오가 직접 망원경을 만들어 ‘태양에는 흑점이란 게 있고, 달 표면은 매끈한 게 아니라 매우 울퉁불퉁하고, 목성에는 지구의 달과 같은 위성이 4개 있다’는 것을 세상에 알린 이후 망원경은 그야말로 인류에게 ‘천지개벽 우주 창조’의 역사를 펼쳐 보이기 시작한 것이다.

망원경을 통해 ‘밤하늘의 비밀’을 캐내는데 몰입하였다가 교황의 노여움을 사 종교재판에 붙여져 유죄판결을 받고 더 이상 ‘지구는 돈다’고 말하지 않기로 재판관들에게 맹세하였던 갈릴레오가 “그래도 지구는 돈다”고 입속말을 내뱉었다던 때가 불과 4백 년도 안 된 1633년의 일이니, 지금 우주망원경의 활약은 실로 놀라울 뿐이다.

허블우주망원경이 등장하기 전까지 우주 관측은 당연히 지구의 땅에서 이루어질 수밖에 없었다. 또 낮에는 태양 빛 때문에 별을 볼 수가 없어서 자동적으로 밤에 관측 활동이 이루어질 수밖에 없었다. 그뿐만 아니라 도시의 불빛은 갈수록 강해지고 도시 주변의 공기는 갈수록 탁해져 우주망원경에 많은 지장을 초래했다. 그래서 첨단 우주 관측 장비들은 남미 안데스산맥이나 호주 내륙 사막 등 사람이 만든 불빛의 영향이 거의 없고 공기가 맑은 곳으로 옮겨 갔다.

▲허블우주망원경(왼쪽)과 제임스웹우주망원경. 허블망원경의 본체 구조는 원통형이며 반사경은 원통안에 들어가 있다. 제임스웹망원경은 태양빛 가림막을 겸한 본체 위에 반사경이 튀어나와 별들의 빛을 받아들이는 성능이 월등하다. 허블망원경은 1990년에 발사되어 32년 동안 임무를 수행하였고, 제임스웹망원경은 2021년 12월 발사되어 올해 초부터 임무를 개시하였다. 

그러다가 지구 대기의 영향을 아예 없애고 지구 불빛의 영향을 최소화하기 위해 우주에 쏘아 올린 첫 망원경이 허블우주망원경이다. 이 망원경은 무게 12t, 반사경 지름 2.5m, 몸체 길이 13m로 설계 수명은 20년 정도였다. ‘우주 팽창 이론’을 처음 발표한 미국의 천문학자 에드윈 허블을 기리기 위해 그의 이름을 붙였다.

허블망원경은 1990년 4월 미국 우주왕복선 디스커버리호에 실려 지구 상공 600㎞ 상공 궤도에 올려졌다. 허블망원경은 지구 지상에서 관측하는 것보다 50배 이상 상세하게 별들을 들여다볼 수 있었다. 당연히 우주천문학은 비약적인 발전을 하였다.

그러나 반사경 크기가 2.4m로 작은 편이어서 먼 우주를 관측하는 데 한계가 있었다. 천문학자들은 훨씬 더 큰 반사경을 가진 우주망원경을 우주에 올리고 싶었다. 그래서 등장한 것이 제임스웹우주망원경이다. 미국 항공우주국(NASA)은 유럽우주국, 캐나다우주국과 손잡고 25년간 13조 원을 들여 개발에 나선 결과 지난해 12월 25일 남미 프랑스령 가이아나 우주센터에서 제임스웹망원경을 더 먼 우주로 쏘아 보냈다.

제임스웹망원경은 허블망원경에 비해 반사경 지름은 두 배 반 이상인 6.5m이고 면적은 7배 정도 넓으며 무게는 오히려 절반가량인 6.5인데 성능은 수십 배 이상 뛰어나다. 명칭은 미국의 달 착륙계획이었던 ‘아폴로 계획’을 진두지휘한 미국 NASA 제2대 국장 제임스 웹(James Webb)의 이름을 붙였다.

현재까지의 기술로는 6.5m나 되는 대규모 반사경을 가진 우주망원경을 우주 어느 위치에 쏘아 올릴 방법이 없으므로 반사경을 18개 조각으로 나누어 제작하고 차곡차곡 접어 부피를 작게하여 우주에 쏘아 올린 뒤 궤도 정착 후 자동으로 펼쳐져 조립되도록 하였다. 특히 태양이나 지구, 그리고 달로부터 직간접적으로 오는 빛을 차단하기 위하여 테니스코트만 한 크기의 빛가림막이 달려 있어 그만큼 성능을 높였다.

▲남자 성인 평균 키높이와 비교한 허블망원경과 제임스웹망원경의 반사경 크기. 허블망원경은 직경 2.4m의 단일반사경이고, 제임스웹망원경은 6.5m의 거대한 반사경인데 단일체로 제작할 경우 너무 커서 우주에 싣고갈 방법이 없으므로, 정육각형조각 18개로 나누어 제작한 뒤 우주 궤도에서 자동으로 펼쳐져 조립되도록 만들어졌다.  

허블망원경이 지구 상공 600㎞ 궤도를 돌고 있어 여전히 지구의 영향권에 가까이 있는데 비해 제임스웹망원경은 지구에서 태양의 반대쪽으로 150만㎞나 떨어진 먼 곳에 머물고 있어 말 그대로 ‘우주망원경’의 역할을 제대로 하고 있다. 제임스웨망원경이 우주에 안착한 곳은 태양과 지구의 중력이 균형을 이루는 ‘라그랑주점 L2’이다.

지구와 태양 관계에서는 중력이 서로 균형을 이루는 ‘라그랑주점’이 5곳이 있는데 ‘라그랑주점 L1’은 지구에서 태양 방향으로 150만㎞ 떨어진 곳이다. 지난 8월 5일 발사된 우리나라 달탐사선 다누리호가 ‘태양 중력 여행’을 하여 ‘라그랑주 L1’까지 갔다가 다시 지구와 달 방향으로 되돌아 오고 있는 중이다.

제임스웹망원경이 머물고 있은 우주 공간은 태양과 지구, 그리고 달에서 나오는 빛의 영향을 최소화할 수 있는 곳이다. 허블망원경이 가시광선으로 관측하였던데 비해 제임스웹망원경은 중적외선 기기를 이용하여 성능을 획기적으로 높였다. 중적외선 기기는 오래된 원시 별에서 나오는 긴 파장의 중적외선을 관측하는 장비로 영하 266도의 엄혹한 환경에서 작동한다. 

▲우주천문 관측의 핵심 장비인 우주망원경에 자신들의 이름이 붙어 더욱 유명해진 두 사람. 미국의 우주천문학자 에드윈 허블(1889~1953. 왼쪽)은 20세기 우주천문학사에서 가장 중요한 발견 중 하나인 ‘우주팽창설’의 기초를 세웠다. 또 제임스 웹(1906~1992)은 1961년부터 1968년까지 미국 항공우주국NASA) 제2대 국장을 맡아 1969년 인류 최초로 사람을 달에 보낸 ‘아폴로 계획’의 초중반 임무를 진두지휘하였다.  

올해 초부터 임무 활동을 시작한 제임스웹망원경은 ‘깊은 우주’ 또는 ‘심우주’라고 불리는 ‘딥필드(Deep Field)’의 놀라운 관측 사진을 속속 보내오고 있다. 지난 7월에는 138억 년 전 빅뱅 이후 불과 7억 년밖에 안 지난 초기은하단의 131억 년 전 모습을 보내와 지구인들을 놀라게 하였다. 제임스웹우주망원경은 우리가 상상도 못했던 우주의 신비 속으로 점점 깊이 더 들어가고 있다.