제임스웹 우주망원경 태양계 외부에서 소행성대의 모습 포착

지구에서 약 25광년 떨어진 포말하우트(Fomalhaut) 소행성 지대 촬영한 제임스웹 우주망원경

 
애리조나 대학교와 나사(NASA) 제트추진연구소의 천문학자들로 구성된 연구팀은 제임스웹 우주망원경을 통해 포말하우트 주변에 3개의 잔해 지대가 존재한다는 사실을 발견했습니다.

출처-NASA

 
 
태양계 밖의 소행성에 대한 최초의 적외선 이미지가 포착된 것으로 25광년 떨어진 어린 별인 포멀하우트 세 개의 선명한 파편 고리가 존재하는 것으로 나타났으며 우리가 기존에 생각했던 것보다 훨씬 복잡하다는 사실을 밝혀냈습니다.
이번 발견을 가능케 한 제임스웹의 우주망원경에 대해 알아보고 또 이번 발견에 대한 정보를 알려 드리도록 하겠습니다.
 
 

제임스웹 우주망원경

 
제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 NASA와 유럽우주기구(ESA), 캐나다우주기구(CSA)의 공동 프로젝트로 2021년 발사하였으며 허블 우주 망원경의 후계자가 되도록 설계된 대형 복잡한 우주 망원경입니다.
제임스웹 우주망원경(James Webb Space Telescope, JWST)은 제임스 애드윈 웨브(James Edwin Webb)의 이름을 따서 지어졌습니다.
1961년부터 1968년까지 NASA의 2대 국장으로 아폴로 계획에서 중요한 역할을 했습니다. 이 망원경은 허블 망원경보다 훨씬 강력하게 설계되었으며, 1차 거울은 거의 3배 크기입니다.
JWST는 주로 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 동작하며 우주에서 가장 빠르고 가장 먼 물체를 관측할 수 있습니다. 또 은하, 별, 행성계의 형성이나 외계행성과 그 대기의 성질을 연구할 수도 있습니다.
JWST는 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 제2 라그랑지안 지점*(L2)에서 작동하도록 설계되어 있습니다. 이 위치는 망원경에 안정된 환경을 제공하고 적외선 관측에 필수적인 온도를 일정하게 유지할 수 있습니다.
JWST는 개발 중 많은 기술적·물류적 과제에 직면해서 출시가 수차례 지연되었지만 2021년 12월 25일에 발사하였으며 과학자들은 획기적인 관측을 하고 있습니다.
 
*제2 라그랑지안 지점
 
지구에서 150만km 떨어진 곳에 위치한 두 번째 라그랑지점(L2)은 우주에서 찾을 수 있습니다. 이 지점은 태양의 반대편에 있으며 태양과 지구의 중력 효과가 모두 균형을 이룰 수 있는 우주의 다섯 위치 중 하나로 알려져 있습니다. 이러한 이유로 L2에서 발견되는 모든 물체는 이 두 천체에 대해 일정한 위치를 유지할 수 있습니다. L2 위치는 JWST 및 기타 천문 관측소와 같은 우주 임무에 고유하게 적합합니다. 그곳에 배치된 물체는 최소한의 에너지 소비로 지구와 태양과 관련하여 위치를 유지할 수 있기 때문입니다. L2의 안정적인 위치는 지구의 대기 및 기타 소스의 간섭을 피하기 때문에 종종 선전되는 이점입니다. 이 위치 지정을 통해 하늘의 특정 영역을 장기간 관찰할 수 있으므로 시간 경과에 따른 변화를 연구할 때 매우 유리합니다. 망원경 및 기타 도구는 이러한 의미에서 특히 유용합니다.
 
 

제임스웹 우주망원경 주요 목적

 
제임스 웹 우주망원경(JWST)은 전자기 스펙트럼 적외선 영역의 우주를 연구하는 미션입니다. 주요 목적은 다음과 같습니다.
1. 빅뱅 이후에 형성된 최초의 은하를 연구하고 그 형성과 진화에 대해 배웁니다.
2. 별과 행성계의 형성과 진화를 관찰하고 거주 가능한 행성의 형성으로 이어지는 과정에 대해 배웁니다.
3. 태양계 외 행성의 대기를 연구하여 거주 가능성과 생명 가능성의 징후를 찾습니다.
4. 퀘이사, 초신성, 감마선 폭발을 포함한 우주의 먼 물체를 관찰하고 이러한 현상을 구동하는 과정에 대해 배웁니다.
5. 암흑물질과 암흑에너지의 성질을 연구하고 우주 진화에서 암흑물질의 역할에 대해 배웁니다.
 
이러한 목적을 달성하기 위해 JWST는 근적외선 카메라, 근적외선 분광기, 중적외선 기기를 포함한 일련의 과학기기를 사용합니다. 이 기기들을 통해 망원경은 초기 은하부터 근방의 태양계 행성까지 폭넓은 물체를 관측할 수 있습니다
 
 

JWST와 다른 망원경과의 비교

 
제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 현재 가동 중인 다른 어떤 망원경보다 훨씬 강력한 차세대 우주 망원경입니다. JWST와 기타 주요 망원경의 주요 차이점은 다음과 같습니다.
 
1. 허블 우주 망원경: 허블 우주 망원경은 아마도 가장 잘 알려진 우주 망원경이며 1990년부터 가동되고 있습니다. 주로 전자 스펙트럼의 가시 영역과 자외선 영역에서 작동하며 JWST는 주로 적외선 영역에서 작동합니다. JWST는 훨씬 큰 1차 거울(허블의 2.4m에 대해 6.5m)을 탑재해 더 많은 빛을 모으고 더 얇은 물체를 관찰할 수 있습니다. JWST는 또한 적외선 기능과 제2 라그랑지안 지점에서의 위치로 인해 훨씬 먼 물체를 관측할 수 있게 됐습니다.
2. 찬드라 X선 관측소: 찬드라 X선 천문대는 전자기 스펙트럼의 X선 영역 우주를 관측하는 우주 망원경입니다. 주로 적외선으로 관측하는 JWST와 달리 찬드라는 고에너지 X선을 관측합니다. 이를 통해 X선을 방출하는 블랙홀이나 중성자별 등의 물체를 연구할 수 있습니다. JWST와 찬드라는 다른 주요 능력을 가지고 있지만, 그것들은 그들의 관찰에 있어서 상호 보완적이며 우주에 대해 보다 완전한 이해를 제공합니다.
3. Atacama Large Millimer Array(ALMA) : ALMA는 전자 스펙트럼의 밀리미터 및 서브밀리미터 범위에서 동작하는 지상 기반 망원경입니다. JWST와 마찬가지로 그것은 은하, 별, 행성계의 형성을 연구하기 위해 설계되었습니다. 그러나 ALMA는 지상에 위치하고 있어 대기 간섭으로 능력이 제한되어 있습니다.
 
반면 JWST는 우주에 위치해 우주를 훨씬 명확하게 관찰할 수 있습니다. JWST는 그 능력에 있어 독특하며 천문학자들에게 전례 없는 우주관을 제공합니다. 다른 망원경들은 독자적인 강점과 전문성을 가지고 있지만 JWST의 적외선 기능과 우주에서의 위치는 천체물리학과 우주론에서 몇 가지 큰 질문에 답하는 강력한 도구가 되고 있습니다.
 
 

제임스웹 우주망원경의 발견

 
천문학자들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 태양계 밖에서 적외선으로 본 최초의 소행성대를 연구하기 위해 인근 젊은 별인 포멀하우트 주위의 따뜻한 먼지를 촬영했습니다. 그러나 놀랍게도 먼지투성이의 구조물은 태양계 소행성이나 카이퍼 더스트 벨트보다 훨씬 복잡합니다.
전체적으로 별에서 140억 마일(230억 킬로미터)까지 뻗어나가는 3개의 네스트 벨트가 있습니다.이것은 태양으로부터의 지구의 150배 거리입니다. 가장 바깥쪽 띠의 스케일은 태양계 카이퍼 띠의 약 2배 크기로 넵튠을 넘는 작은 천체와 차가운 먼지가 있습니다.
지금까지 본 적이 없는 안쪽 벨트는 웹에 의해 처음 밝혀졌습니다. 벨트는 남쪽 별자리에서 가장 밝은 별로 육안으로 볼 수 있는 젊고 뜨거운 별을 둘러싸고 있습니다. 먼지 벨트는 소행성이나 혜성과 같은 큰 물체의 충돌로 인한 잔해이며 종종 "파편 디스크"라고 표현되고 있으며 "저는 포멀하우트*를 은하계의 다른 곳에서 볼 수 있는 잔해 디스크의 원형으로 설명합니다. 왜냐하면 그것은 우리 자신의 행성계에 있는 것과 비슷한 성분을 가지고 있기 때문입니다."라고 이러한 결과를 설명하는 새 논문의 주저자인 안드라스 가스파르는 말했습니다.
"이 고리들의 패턴을 보면 행성계가 어떻게 되어야 하는지 실제로 약간 스케치를 시작할 수 있습니다. 만약 우리가 실제로 의심스러운 행성을 보기에 충분한 깊이의 사진을 찍을 수 있다면요."
" 허블 우주 망원경과 허셜 우주 관측소 및 아타카마 대 밀리미터/서브 밀리미터 어레이(ALMA)는 지금까지 가장 바깥쪽 벨트의 날카로운 이미지를 촬영해 왔습니다. 그러나 이들 중 어느 것도 내부 구조를 찾지 못했습니다. 안쪽 벨트는 Webb의 적외선에 의해 처음으로 해결되었습니다. Webb가 정말 뛰어난 점은 이들 내부 영역의 먼지로 인한 열적 글로우를 물리적으로 해결할 수 있다는 것입니다. 그래서 예전에는 볼 수 없었던 안쪽 벨트가 보이는 것입니다"라고 애리조나 대학의 또 다른 팀원인 슐러 울프는 말했습니다.
허블, 알마, 웹은 태그팀을 이루어 다수의 별 주위 파편 디스크의 전체 상을 모으고 있습니다. 허블과 ALMA를 사용해 많은 카이퍼 벨트 아날로그를 이미지화할 수 있었습니다.그리고 외원반이 어떻게 형성되고 어떻게 진화하는지에 대한 부하를 학습했습니다'라고 울프 씨는 말했습니다. 하지만 우리는 12개 정도의 소행성대를 다른 곳에서 촬영할 수 있도록 하기 위해 webb가 필요합니다. 이 원반 안쪽의 따뜻한 영역에 대해서는 허블이나 알마가 추운 바깥 영역에 대해 알려준 것만큼 많은 것을 배울 수 있습니다. 이 벨트들은 대부분의 경우 눈에 보이지 않는 행성에 의해 생성된 중력에 의해 조각되어 있습니다.
마찬가지로 태양계 목성은 소행성대를 둘러싸고 카이퍼대 안쪽 끝은 해왕성에 의해 조각되고 바깥쪽 끝은 아직 보이지 않는 물체에 의해 보호 될 수 있습니다. webb가 더 많은 시스템을 이미지화함에 따라 우리는 그들의 행성 구성에 대해 배웁니다.
포멀하우트의 더스트링은 1983년 NASA의 적외선 천문위성(IRAS)에 의해 관측됐습니다. 고리의 존재는 하와이 마우나케아, NASA 스피처 우주망원경, 칼텍 서브밀리미터 관측소를 이용한 이전 장파장 관측에서도 추측되고 있습니다.
포멀하우트 주위의 벨트는 일종의 추리소설과 같습니다. 이 행성들은 어디에 있는가?라고 웹 중적외선계기(MIRI)의 또 다른 팀원이자 미국 과학 리드인 조지 리케는 이렇게 관측했습니다.
별 주위에 정말 흥미로운 행성계가 있다고 해도 그리 큰 도약은 아니라고 생각합니다. "두 번째 중간 벨트와 그리고 더 넓은 소행성 벨트에서 이렇게 복잡한 구조는 예상하지 못했습니다, "라고 울프 씨는 덧붙였습니다. "그 구조는 매우 흥미롭습니다. 왜냐하면 천문학자들은 원반 속의 갭과 링을 볼 때마다 '링을 형성하는 매립 행성이 있을지도 모릅니다."라고 말하기 때문입니다.
" 웹은 또 두 원시 행성체 사이의 외륜에서 발생하는 충돌의 증거일 수 있는 Gspsp dubr가 '대진운(큰 먼지 구름)'이라고 부르는 것을 관측 했습니다." 이는 2008년 허블 망원경이 바깥 고리 내부에서 처음 본 의심 행성과는 다른 특징입니다. 이후 허블 망원경 관측에 따르면 2014년까지 물체는 소실된 것으로 밝혀졌습니다.
그럴듯한 해석은 이 새로 발견된 특징은 이전의 특징처럼 서로 충돌한 두 얼음 같은 물체에서 매우 미세한 입자가 팽창하는 구름이라는 것입니다. 항성 주위 원시행성 원반이라는 개념은 1700년대 말 천문학자 임마누엘 칸트와 피에르 사이먼 라플라스가 독자적으로 태양과 행성이 중력에 의해 붕괴돼 평평해진 회전하는 가스 구름으로 형성됐다는 이론을 개발했습니다.
잔해 디스크는 행성 형성과 시스템 내 원시 가스 분산에 이어 나중에 발전합니다. 소행성과 같은 작은 천체가 파괴적으로 충돌하여 그 표면을 산산조각 내어 거대한 모래 먼지로 만들고 있음을 보여줍니다.
 
※ 관련내용 

Webb Looks for Fomalhaut’s Asteroid Belt and Finds Much More

 
 
*포멀하우트
 
포멀하우트는 지구에서 약 25광년 떨어진 오스트리누스자리에 위치한 항성이다. 그것은 하늘에서 가장 밝은 별 중 하나이며 육안으로 쉽게 볼 수 있습니다.
포멀하우트는 비교적 젊고 추정 연령은 불과 수억 년입니다. 이것은 천문학자들이 별이나 행성계의 형성과 진화를 연구하는 데 중요한 목표가 되고 있습니다.
또한 포멀하우트에는 별을 둘러싼 먼지와 파편의 고리인 파편 디스크가 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 원반은 널리 연구되고 있으며 행성의 구성요소가 될 수 있는 물질을 포함하고 있다고 생각됩니다.
실제로 2008년 포멀하우트 주위를 공전하는 행성이 발견되어 파편 디스크와 확인된 외계 행성을 모두 가진 몇 안 되는 별 중 하나가 되었습니다.
마지막으로 포멀하우트는 천문학과 SF에서 중요한 역할을 해왔습니다. 허블 우주 망원경에 의해 촬영된 최초의 별 중 하나이며, 많은 과학적 연구와 관찰의 대상이 되고 있습니다. SF에서 포멀하우트는 몇몇 소설이나 영화에서 다루어져 종종 생명이나 기타 세계적 현상의 가능성을 내포한 밝고 신비로운 스타로 묘사되고 있습니다.